Effet photoélectrique et photovoltaïque

L’effet photo-électrique a été découvert en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel. Il peut être observé au sein de certains matériaux qui émettent des électrons lorsqu’ils sont soumis à l’action de la lumière. À l’époque, le physicien francais a remarqué qu’une chaîne d’éléments conducteurs d’électricité, comme le silicium par exemple, générait un courant électrique spontané lorsqu’elle était frappée par la lumière. Cela signifie donc que ces matériaux conducteurs émettent des électrons lorsqu’ils sont éclairés. Ceux-ci sont alors éjectés du matériau et se déplacent au sein d’un circuit fermé, en produisant ainsi de l’électricité. L’électricité produite de cette manière est proportionnelle à l’intensité de l’éclairage. Le principe de l’effet photoélectrique réside donc dans la transformation directe de l’énergie portée par les protons composant la lumière, en courant électrique. Ce processus ne nécessite aucun cycle thermodynamique intermédiaire, puisque le rayonnement lumineux est directement transformé en électricité, sans utilisation intermédiaire de la chaleur.

Lorsque vous regardez un panneau solaire, celui-ci est découpé en petits carrés prenant la forme de fines plaques d’environ dix centimètres de côté : ce sont les cellules photovoltaïques. Assemblées entre-elles, les cellules photovoltaïques forment une installation solaire photovoltaïque. Une cellule photovoltaïque est un composant électronique constitué de matériaux semi-conducteurs. Ces derniers sont des matériaux qui sont isolants ou conducteurs selon les conditions. En effet, un semi-conducteur devient un matériau conducteur uniquement lorsqu’il est chauffé, éclairé, ou s’il est soumis à une tension électrique particulière. Dans le cas des cellules photovoltaïques, principalement fabriquées à partir de silicium, une fois éclairées, elles deviennent conductrices et permettent la production d’un courant électrique. Une cellule photovoltaïque utilise donc le phénomène photoélectrique pour produire de l’électricité, sous forme de courant continu.

Il existe trois grands types de cellules photovoltaïques en silicium, qui composent généralement les installations solaires. Le modèle le plus coûteux mais également le plus rentable sont les cellules de silicium monocristallin. Les cellules monocristallines sont composées d’un cristal à deux couches. Les cellules de silicium poly-cristallin constituent le type de cellule actuellement le plus répandu sur le marché des installations solaires, bien que leur rendement soit moins élevé que celui des cellules en silicium monocristallin. Les cellules poly-cristallines sont constituées de plusieurs cristaux, ce qui réduit ainsi leur coût de fabrication. Les cellules de silicium amorphe quant à elles, sont le type de cellules photovoltaïques qui possède le moins bon rendement, tout en étant également le moins cher.

Les cellules photovoltaïques exploitent donc l'effet photoélectrique pour produire du courant continu grâce à l’absorption du rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie lumineuse des photons en électricité, par le biais d’un matériau semi-conducteur transportant les charges électriques. La production d’un courant électrique nécessite une circulation d’électrons. Pour ce faire, il faut d’un côté un surplus et de l’autre un déficit d’électrons. Les cellules photovoltaïques sont composées de deux plaques reliées par des fils conducteurs. La première, la couche supérieure, possède un surplus d’électrons. La seconde, la couche inférieure, possède un déficit d’électrons. C’est cette même polarisation, que l’on retrouve couramment dans les piles et représentée par les symboles + et -, qui permet la création d’un courant électrique.

Les deux couches des cellules photovoltaïques, constituées de silicium, vont respectivement subir un « dopage » de type n et de type p. Un cristal de silicium est composé d’atomes. Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes, afin d’améliorer la conductivité du matériau. Un atome de silicium comporte 4 électrons. L’une des couches de la cellule est alors dopée à l’aide d’atomes de phosphore qui comptent 5 électrons (à savoir un de plus que le silicium). On parle alors de dopage de type n comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. Quant à l’autre couche, elle est dopée grâce à des atomes de bore qui possèdent 3 électrons (soit un de moins que le silicium). On parle alors de dopage de type p comme positif en raison du déficit d’électrons ainsi créé.

Lorsque la première couche de la cellule photovoltaïque est mise en contact avec la lumière, les électrons se trouvant en excès dans le matériau n se diffusent alors dans le matériau p. En effet, en traversant la cellule photovoltaïque, les photons contenus dans la lumière arrachent des électrons aux atomes de silicium des deux couches n et p, créant ainsi plusieurs trous. Les électrons libérés se déplacent alors dans toutes les directions et localisent les trous pour pouvoir s’y replacer. Ceci a pour conséquence de dissiper l’énergie créée. Le principe d’une cellule photovoltaïque est donc de contraindre les électrons et les trous à chacun se diriger vers la face opposée du matériau, afin de faire apparaître une différence de potentiel et ainsi donner naissance à une tension entre les deux faces, comme dans une pile électrique. Après avoir quitté la couche p, les électrons empruntent ensuite un circuit pour retourner à la couche n. Ce déplacement d’électrons n’est autre que de l’électricité.

Le fonctionnement d’une installation solaire réside entièrement sur le principe de l’effet photoélectrique. L'énergie solaire photovoltaïque caractérise l'électricité produite grâce à la transformation du rayonnement solaire à l’aide d’une cellule photovoltaïque. En premier lieu, les photons frappent la surface du panneau solaire. Dans un second temps, les électrons relâchés sous l’action des rayons lumineux traversent les plaques. La différence de polarité assure la création d’un courant électrique. En reliant les panneaux solaires à un dispositif électrique, il devient alors possible d’alimenter des appareils électriques.