L’énergie solaire:



- Principes de fonctionnement:

La cellule photovotaïque: La cellule photovoltaïque est composée d'un matériau semi-conducteur qui absorbe l'énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs.

Le semi-conducteur: un matériaux semi-conducteur possède la propriété d'émettre des électrons lorsque des photons (lumière) viennent frapper sa surface. Ces électrons sont récupérés par un genre de pompe à électrons qui les réinjectent dans le circuit électrique où ils vont circuler et alimenter les diverses installations électriques. Plus la surface du semi-conducteur sera frappée par des photons, plus il y aura d'électrons libérés jusqu'à une certaine limite caractéristique du matériaux. En d'autres mots, plus la lumière venant frapper la surface sera intense, plus il y aura d'électrons arrachés au semi-conducteur.

/!\ Cette explication est une version extrêmement simplifiée du fonctionnement. Celui-ci est en réalité bien plus complexe mais sa compréhension nécessite un certain nombre de pré-requis parfois poussés en chimie et en physique. J'ai moi-même un peu de mal à appréhender l'ensemble du fonctionnement.


- Avantages :
La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages.
o D'abord, une haute fiabilité - elle ne comporte pas de pièces mobiles - qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.

o Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliWatt au MégaWatt.

o Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.

o Enfin, la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n'est par l'occupation de l'espace pour les installations de grandes dimensions.


Centrale solaire THEMIS, construite sur le site de Targasonne

- Inconvénients:
Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients.
o La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des investissements d'un coût élevé.

o Le rendement réel de conversion d'un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28%).

o Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que pour des faibles demandes d'énergie en région isolée.

o Enfin, lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru. La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes pour autant que la batterie et les composants de régulations associés soient judicieusement choisis.


- Perspectives:
Perspectives pour la production d’électricité.
L’Espagne a fait le pari du développement industriel des centrales solaires, en coopération avec l’Allemagne et des industriels américains (Boeing est impliqué), et avec le soutien de l’Union européenne. Différentes décisions ont conduit l’Espagne à mettre en place, en 2002, une prime de 12 centimes d’euros par kWh payée aux producteurs d’électricité par énergie solaire thermique (15 centimes d’euros pour le kWh photovoltaïque). Cette prime devrait permettre la construction de plusieurs centrales solaires pour une puissance cumulée de 200 MWe d’ici 2015 en Andalousie, en particulier (100 MWe dans les cinq années à venir).


- Recherche en cours: Energie solaire extra-atmosphérique: Un projet en cours de recherche est la mise en place de stations orbitales comportant d'énormes surfaces de panneaux photovoltaïques. L'énergie alors produite serait très nettement supérieure à celle produite par les capteurs sous atmosphère du fait de l'action filtrante de celle-ci sur les rayons du soleil.
Comment envoyer l'énergie produite sur Terre? Un système de rayon infra-rouge se chargerait de ce transfert grâce à une antenne réceptrice sur Terre. Espérons qu'ils visent bien!



Le Japon a annoncé pouvoir mettre en fonction la première station de ce genre vers 2040. Cette centrale solaire orbitale fonctionnerait avec 2 panneaux solaires géants de 1 x 3 km et pèserait 20 000 tonnes.



Fonctionnement non simplifié dû aux propriétés des semi-conducteurs:


Le semi-conducteur

Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu'un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu'il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction). C'est l'énergie du "band gap", Eg, en électron-volt (eV). Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si), et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si).
Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons - particules de lumière - en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d'onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste passera au travers de l'épaisseur de la cellule.
Les photons absorbés dont l'énergie est supérieure à l'énergie du band gap vont libérer un électron négatif, laissant un "trou" positif derrière lui. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique, E, de part et d'autre de la cellule.

La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du "dopage" par des impuretés. Deux types de dopage sont possibles:

- Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.

- Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l'insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium.
Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d'autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d'ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l'absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque. Lorsque l'énergie du band gap augmente, le courant diminue mais la tension est plus élevée.