CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES

quelle est la proportion d'ENERGIE d'origine SOLAIRE dans la production d'électricité ? 86,5% !!! pour la production totale d'énergie (électricité + chauffage, transport, …), c'est encore plus élevé

Energie d'origine solaire : pétrole solaire thermique gaz naturel vagues biomasse éolienne photovoltaïque charbon hydroélectrique

Energie d'origine non solaire : marémotrice nucléaire géothermique

Mais certaines de ces énergies (d'origine solaire ou non solaire) ne sont pas renouvelables : quand elles ont été consommées, elles sont perdues. ENERGIES FOSSILES : pétrole, gaz naturel, charbon ENERGIE NUCLEAIRE  elles s'épuisent petit à petit. De plus, elles ont un inconvénient majeur : elles émettent un gaz à effet de serre = CO2 (sauf nucléaire)

Les ENERGIES RENOUVELABLES sont en pratique inépuisables : biomasse éolienne photovoltaïque solaire thermique hydroélectrique marémotrice (origine non solaire) géothermique Gaz à effet de serre ?

Le rayonnement solaire décomposition de la lumière blanche UV invisibles IR (chaleur)

Effet photoélectrique VIDEO

Effet photoélectrique électrons lumière Une lumière (suffisamment énergétique) frappe la plaque métallique et en éjecte des électrons.

- - - - - - Les électrons éjectés de la plaque laissent des "trous". Certains électrons frappés par la lumière n'ont pas l'occasion de quitter la plaque : ils vont simplement se déplacer et se replacer dans un "trou". trou - - - - - - électron

Un atome et ses électrons atome de fer orbitales atomiques 2 électrons de valence plus les électrons sont éloignés du noyau, moins il faudra leur fournir de l'énergie pour qu'ils le quitte. Les plus éloignés sont les électrons de valence.

Semiconducteur Un semiconducteur est un matériau dont le comportement électrique est intermédiaire entre celui d'un conducteur (métal) et celui d'un isolant. Le plus courant est le silicium. conducteur semiconducteur isolant bande de conduction bande de conduction bande de conduction bande interdite bande interdite (recouvrement) ENERGIE bande de valence bande de valence bande de valence é Lorsqu'on fournit au semiconducteur une énergie suffisamment importante (lumière, chaleur), des électrons peuvent passer dans la bande de conduction en laissant des "trous" dans la bande valence.

é Lorsqu'on applique une différence de potentiel, les électrons (négatifs) et les "trous" (positifs) se déplacent et un faible courant électrique apparaît. + -

Dopage des semi-conducteurs Le silicium contient 4 électrons de valence : On peut ajoute au semiconducteur (silicium) des impuretés. Par exemple, des atomes qui possèdent 5 électrons de valence : phosphore, arsenic, antimoine. (P) 1 électron supplémentaire (Al) … ou des atomes qui n'en possèdent que 3 : bore, aluminium. 1 électron en moins

Cet ajout va modifier le comportement électrique du semiconducteur Cet ajout va modifier le comportement électrique du semiconducteur. C'est le DOPAGE. type N (atome riche en é) type P (atome pauvre en é) Si trou P électron en excès Al

une couche dopée N et une couche dopée P Dans les cellules photovoltaïques, on va utiliser deux couches de matériau semi-conducteur différentes : une couche dopée N et une couche dopée P quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur. couche dopée N (é) couche dopée P (trous) quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs. Que va-t-il se passer ?

A la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. ZCE Il va donc se créer une charge positive dans la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu). Cette zone à la jonction s'appelle la Zone de Charge d'Espace (ZCE). Il se crée alors un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.

Si lumière  création d'une paire (é libre + trou) dans la ZCE. é  zone N (+) trou  zone P (-) On a donc forcé les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée de la plaque au lieu de leur permettre de se recombiner simplement. On a créé une différence de potentiel entre les deux faces, comme dans une pile.  COURANT CONTINU

solar impulse

INTERET ECONOMIQUE Soleil = source d'énergie gratuite et inépuisable. OK pour toute la surface terrestre - Efficacité variable (nuages). Besoin de certaines matières premières (pas inépuisables) pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Mais présentes en grandes quantités (silicium). Belgique : aides des différents gouvernements  payback (remboursement de l'investissement) = environ 7 ans. Sans aide : payback =  10 ans. Développements technologiques  efficacité des cellules de plus en plus importante. De + en + de clients et de fournisseurs  baisse des prix.

PRODUCTION CONTINUE D'ENERGIE Production d'énergie électrique uniquement durant la journée. Quid la nuit et les journées peu ensoleillées ? Stockage ? Fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau : 2 H2O ⇌ O2 + 2 H2 compression puis stockage Cet hydrogène peut être : brûlé en présence d'oxygène  chaleur  électricité être utilisé dans une pile à combustible pour redonner de l'électricité

PILE A COMBUSTIBLE

EVOLUTIONS TECHNOLOGIQUES Caractéristiques : rendement et coût de fabrication. Un rendement de 20% signifie que 20% de l'énergie solaire est convertie en électricité. silicium monocristallin : très cher – rendement 20% silicium polycristallin : moins cher – rendement 15%

silicium amorphe : encore moins cher – rendement 9% silicium cristallin en couches minces : encore moins cher – rendement 7% cellule multi-jonctions : plus efficace – rendement 30%