La conversion de la lumière en électricité : technologie

Conversion photovoltaïque

La lumière est composée de photons et lorsqu'ils pénètrent dans un matériau semi-conducteur, ils arrachent des électrons. Les électrons se situent dans les atomes à la périphérie, ils tournent autour du noyau. Ces électrons vont trouver rapidement un autre emplacement, c'est-à-dire un autre atome autour duquel ils vont tourner. Ils vont à la place laisser un trou. Le but est d'avoir deux surfaces et des électrons qui vont d'une surface à l'autre. Ainsi, il se crée un champ électrique entre les deux surfaces.
Pour forcer les électrons à aller dans un sens, on dope deux surfaces de silicium (matériaux semi-conducteurs) avec du phosphore et du bore. Le phosphore amène des électrons supplémentaires, et le bore amène des trous. En effet, le premier possède un excès d'électron alors que le second un déficit.

On obtient ainsi deux surfaces :
- une couche supérieure N dopée en phosphore
- une couche inférieure P dopée en bore

Schéma d'une cellule

Lorsque les photons vont toucher la couche supérieure, les électrons libres de la région N vont aller vers la surface inférieure P. Le champ électrique est alors créé entre les deux surfaces.

Technologie des cellules : mono / poly / amorphe

Le silicium est le materiau le plus utilisé pour faire les cellules photovoltaïques. Il est issu de la silice (sable) qui constitue 27% de la croute terrestre. Il est donc disponible en grande quantité. Malheureusement, il faut du silicium pur (plus de 99%) pour avoir un bon conducteur et les transformations successives qui permettent d'obtenir cette pureté sont chères. Les procédés sont en constante amélioration et l'essor de l'énergie photovoltaïque pousse les industriels à mettre en place des procédés plus efficaces et plus rentables.

En fonction du procédé de transformation du silicium on obtient 3 différents types de cellule photovoltaïque :
- monocristallin
- polycristallin
- amorphe

Cellule de silicium monocristallin

Elles sont constituées d'un seul cristal de grande dimension, elles sont très difficiles à fabriquer, ce qui explique leur coût élevé. Elles ont un aspect uniforme gris bleuté, parfois noir.
- avantage
- très bon rendement 16 à 18%
- esthétique
- inconvénient
- cout élevé
- rendement faible sous rayonnement diffus

Cellule de silicium polycristallin

Elles sont constituées de plusieurs cristaux assemblés et formant une mosaïque de couleur bleue. Le processus de fabrication est plus facile que celui des cellules en silicium monocristallin, leur coût est donc plus faible, malheureusement, leur rendement est un peu plus faible.
- avantage
- bon rendement 13 à 15%
- rapport qualité-prix
- inconvénient
- esthétique
- rendement faible sous rayonnement diffus

Cellule en silicium amorphe

Le silicium n'est pas sous forme de cristaux, mais sous forme vitreuse, c'est à dire avec une structure désordonnée. Il est facile à fabriquer, mais son rendement est très inférieur au silicium cristallin. Il est gris très foncé. C'est ce type de technologie qui est utilisée dans les calculatrices.
- avantage
- prix
- résiste mieux aux temperatures eleves
- fonctionne bien sous un rayonnement diffus
- inconvenient
- rendement trés faible 6 à 8%
- tenue dans le temps