Ferme de panneaux photovoltaïques.
Outre le transistor, une autre application rendue possible par les semi-conducteurs est la cellule photovoltaïque : celle qui permet de produire de l’électricité à partir de lumière dans les plaques photovoltaïques.

Son fonctionnement n’est pas exactement trivial, aussi j’ai décidé d’en faire un article.

Si possible, je vous invite à lire également mes articles sur le semi-conducteur et le transistor, car ils pourront apporter quelques précisions supplémentaires, bien que je ferais un bref rappel ici.

Semi-conducteurs, dopage N et dopage P

Le silicium, un semi-conducteur, possède 4 électrons sur sa couche externe. Au zéro absolu, les quatre sont pris par des liaisons atomiques et aucun n’est libre pour conduire l’électricité.

Si l’on apporte de l’énergie, comme c’est le cas à température ambiante, certains électrons de valence deviennent des électrons de conduction, et le silicium devient un (mauvais) conducteur.

On peut améliorer cette piètre conductivité « dopant » le silicium, c’est-à-dire en incluant des éléments chimiques tiers au sein du silicium pur.
Si, au sein du silicium, on met un atome de phosphore avec ses cinq électrons, alors quatre d’entre eux serviront à former les liaisons chimiques, mais le dernier restera libre. Ce silicium est dit « dopé » au phosphore.

Ayant un électron, une charge négative, en plus dans sa matrice cristalline, ce dopage est de type négatif ou « N ». On parle de silicium dopé N.

Inversement, si l’on place du bore avec trois électrons dans la matrice de silicium, alors il y a un manque d’électron à un endroit. Il y a comme un trou. Ce trou peut être comblé par un électron voisin, mais ce dernier laissera alors un autre trou dans son sillon. De ce fait, on peut dire que le trou se déplace. L’électron étant négatif, le trou est lui modélisé comme une charge positive. Avec du bore, le dopage est positif, ou « P ».

Si je résume :

  • un bout de silicium dopé N, bien qu’électriquement neutre, possède des charges négatives libres.
  • un bout de silicium dopé P, bien que neutre également, possède des charges positives libres.

La jonction PN

Les choses intéressantes se produisent si l’on colle ces deux morceaux de silicium dopé N et dopé P ensemble. Au niveau de la jonction, et seulement à cet endroit, les électrons libres de la partie N vont venir combler les trous de la partie P.

Cette région est appelée « zone de déplétion » : les électrons libres d’un côté sont allés boucher les trous de l’autre côté et il n’y a plus de charges mobiles. La zone de déplétion est isolante.

Migration des électrons dans la zone de déplétion d’une jonction PN.
Migration des électrons aux jonctions PN.

Ce n’est pas tout : on voit que certains électrons du silicium N sont passés dans le silicium P. La zone N qui s’est vidée de ses électrons est donc chargée positivement : le phosphore a perdu son 5ᵉ électron . De l’autre côté, le bore a reçu un 4ᵉ électron et est donc ionisé négativement.

En soit, ceci constitue un dipôle très connu, à savoir une diode : en effet, grâce à cette jonction, le courant ne peut passer que dans un seul sens. Dans l’autre sens, l’application d’une tension (inverse, donc) va élargir la zone de déplétion et donc la rendre encore plus isolante.
Je vous laisse lire mon article sur la LED qui explique ceci très bien.

Dans cet article, c’est l’effet photovoltaïque nous intéresse, qui est basiquement l’inverse de l’effet diode.

L’effet photovoltaïque

Si l’on envoie un photon suffisamment énergétique sur la zone de déplétion, d’une jonction PN, un électron de valence capte son énergie : il passe alors dans un état plus énergétique et devient un électron libre. Cet électron sort de la liaison cristalline (y laissant un trou) et devient libre :

Effet photoélectrique
Un électron (non libre) de la zone de déplétion va devenir libre et en plus produire un trou, libre lui aussi.

Qui plus est, à cause des régions ionisées et chargées de la zone de déplétion, le trou positif est directement repoussé et renvoyé dans la zone P et l’électron rapidement renvoyé vers la zone N.

Si l’on continue d’éclairer la diode, des trous s’accumulent dans la zone P et des électrons s’accumulent du côté N : on obtient quelque chose comme un condensateur, avec une séparation de charges :

Chargement de cellule photovoltaïque.
Peu à peu, les photons finissent par séparer les charges dans le semi-conducteur.

Il suffit alors de relier ces deux bornes par un circuit électrique : les électrons, expulsés de la zone N dans le circuit vont donc rejoindre la zone P et aller y reboucher les trous, rétablissant l’équilibre électrique de toute la cellule.

Évidemment, cette circulation d’électrons peut passer dans un circuit électrique et l’alimenter. C’est tout l’intérêt : le panneau solaire permet alors d’alimenter un appareil, ou recharger une batterie de stockage de l’énergie.

Diode ou cellule photovoltaïque ?

Une cellule photovoltaïque et une diode fonctionnent sur le même principe physique : ce sont deux dipôles identiques constituées d’une jonction PN.
Les deux peuvent d’ailleurs fonctionner selon le mode de l’autre : éclairez une LED avec une lampe torche, et une tension détectable avec un voltmètre apparaîtra à ses bornes.
Ou alors, appliquez une tension sur une cellule photovoltaïque, et vous détecterez une émission de lumière par la cellule. La lumière sera en revanche dans les infrarouges, donc il faudra tout de même un détecteur approprié, mais cela se fait.

D’ailleurs, ceci est une méthode pour vérifier le bon fonctionnent d’un panneau photovoltaïque : on l’alimentant comme une LED, on voit les cellules émettre de la lumière. Si trop de cellules n’en émettent pas, alors le panneau est à changer.

Diode et cellule photovoltaïque sont donc comme un climatiseur et une pompe à chaleur, ou encore un microphone et un haut-parleur, un moteur électrique et une dynamo : deux appareils aux principes identiques. La différence se situe seulement au niveau de leur optimisation pour des applications différentes.

Conclusion

Diode ou panneau solaire, les deux sont physiquement la même chose, mais utilisés pour différemment.

Si l’on en connaît le principe de fonctionnement, le panneau photovoltaïque est un bel exemple d’application des semi-conducteurs, permettant de mettre en application la mécanique élégante des électrons au sein de cristaux de silicium dopés et collés ensembles.

On ne peut qu’admirer l’ingéniosité déployée pour penser à la succession de découvertes qu’il a fallu effectuer et mettre en relation pour pouvoir produire de l’énergie électrique à partir de lumière.

image d’en-tête de Andreas Gücklhorn

7 commentaires

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galex-713 écrit :

Mais du coup… comment ça se passe l’« usure » des cellules photovoltaïques ? et pourquoi leur fragilité ?

Parce que bon, les leds n’ont pas la même…

Est-ce qu’on doit aussi en déduire que les panneaux photovoltaïques sont surtout optimisés pour absorber des infrarouges ?

Comment est faite cette optimisation ?

Est-ce qu’une diode *utile* pour chacun des deux sens est possible ? qui fonctionnerait pour tout le spectre ? est-ce que c’est forcément restreint ? comment on calibre ça pour une couleur en particulier ?

En tout cas merci pour cet article tant attendu :o

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galex-713 écrit :

ah aussi : quelle est la taille mini/maxi d’une cellule photovoltaïque ? pourquoi ? genre pourquoi plein de cellules et pas juste une énorme très très longue ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@galex-713 :

Mais du coup… comment ça se passe l’« usure » des cellules photovoltaïques ? et pourquoi leur fragilité ?

L’usure est multiple et est principalement dûe aux UV.

Même si le fonctionnement n’est qu’électronique, quand un électron est arraché d’un matériau, ça n’est pas forcément sans dommage. Regarde ce qui se passe si tu mets tes chaussettes rouges ou bleue en plein soleil. Il suffit de quelques heures ou jours pour que la couleur ternisse.

Et quand on parle de panneaux explosées le plus possible au soleil, des UV y en a un paquet.

On ne peut pas non plus se permettre d’utiliser trop de filtres anti-UV ou autre : les UV sont les plus énergétiques et contribuent donc beaucoup à la production de courant. C’est à double tranchant.

Ensuite il y a l’usure électrique : les tensions électriques, le passage du courant, l’échauffement induit une usure également.

Enfin il y a aussi tout simplement la météo : un grêlon et paf, une section du mono-cristal de silicium qui saute. Après 30 ans, le panneau a vu de la grêle, de la neige, de la chaleur, du sable, de l’eau, de l’oxydation… bref de l’usure normale.

Concernant les LED, ils sont généralement protégés dans un bloc de résine, en plus d’être plus petits et pas exposés continuellement aux éléments et aux UV.

Est-ce qu’on doit aussi en déduire que les panneaux photovoltaïques sont surtout optimisés pour absorber des infrarouges ?

Comment est faite cette optimisation ?

Il en existe, mais les IR sont surtout vecteur de chaleur (énergie thermique). On peut utiliser un panneau solaire thermique si l’on veut les récupérer au mieux.

Tout ça est fait comme pour les LED : en utilisant des semi-conducteurs spécifiques pour telle ou telle longueur-d’onde.

Mais le silicium de base absorbe bien le visible et les UV. Les IR produisent pas mal d’échauffement.

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Juju écrit :

Coquille: "Dopage P=> charges positives livres"

Sinon, on peut aussi élargir à la vision nocturne ou la Photocathode à l'entrée du tube détecte les quelques photons disponibles la nuit et les transforment en électron du coté "vide" du tube.
Cet électron est capté (par une tension accélératrice) et tombe à l'entrée d'un canal d'une galette de micro-canaux qui est aussi sous tension. Il est précipité sur la paroi dopée elle aussi et par effet d'avalanche, une grande quantité d'élection est éjectée en sortie du canal.
Ce faisceau est alors dirigé sur un écran de type phosphore apposé sur une fibre optique ou un pavé de verre (toujours coté vide du tube). Un image se forme alors en sortie du tube.
La résolution de l'image étant la résultante de la quantité de canaux de la galette et aussi de la proximité des éléments internes.

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galex-713 écrit :

Wait mais tant qu’on en est aux dispositifs électroniques qui marchent à la lumière (ou en émettent)… les pixels de caméras numériques, ils fonctionnent comment pour capter la lumière ? semi-conducteurs aussi ? autre chose de plus efficace pour ça ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@galex-713 :

Oui, c'est ça : Ce sont les capteurs CCD (charge coupled device). C’est une matrice de photodiodes, donc des diodes PN (et donc comme des mini-panneaux solaires).

Sauf que le courant n'est pas mis à circuler. Il est stocké dans un mini-condensateur lié à chaque pixel (une mémoire, au sens informatique, en fait, qui ne sont que des matrices de condensateurs).
Après l'exposition, on regarde combien de charges sont stocké sur chaque pixel et on obtient une impression de la luminosité (les pixel les plus chargés correspondent aux endroits de l’image les plus lumineux).

Un système de filtres permet de faire ça pour le rouge, le bleu, le vert : on n’a qu’une seule matrice, mais un pixel sur 3 ne laisse passer que le vert, 1/3 que le rouge, et 1/3 que le bleu.
Enfin ça c’est la version simplifiée, car en vrai les trois couleurs n’ont pas de pixels en même quantité : https://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_photographique_CCD#/media/Fichier:CFA_Pattern_fuer_quadratische_und_rechteckige_Pixel.png

(un peu comme quand on regarde au microscope un écran OLED : généralement c’est un damier rouge/bleu, avec du vert sur chaque intersection)

@Juju :

Ah oui, ce sont des photomultiplicateur (avec l’effet de cascade que tu décris).
Ce système est aussi utilisé dans les compteurs Geiger-Müller, ainsi dans les détecteurs de neutrinos.

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Alex écrit :

Bonjour,

Cela est-il le meme sillicium que le silicium des proceceurs ou la fabrication est différente?

Merci.


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