La lumière
La lumière visible est une onde électromagnétique, c'est à dire qu'elle est à la fois une onde et un corpuscule appelé photon. On peut donc la caractériser à la fois par les propriétés de l'onde – la longueur d'onde ou la fréquence – et par celles du corpuscule – son énergie. Longueur d'onde, fréquence et énergie sont reliées par des relations très simples, car elles sont en fait les différentes facettes d'une même propriété, qui est la couleur. Toutes les ondes électromagnétiques ne sont pas visibles par l'œil humain. C'est le cas par exemple de l'infrarouge, des ondes radios ou des rayons X par exemple. La seule différence entre la lumière visible et ces autres ondes électromagnétiques est leur « couleur ». Alors que les ondes radio ont une longueur d'onde de plusieurs millimètres ou centimètres, ou que les rayons X ont des longueurs d'onde au plus de 10 nanomètres, la lumière visible se situe entre 400 et 800 nanomètres, de l'indigo au marron. Ou, si l'on préfère, du violet foncé au rouge très foncé. L'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à cette longueur d'onde : chaque photon de la lumière indigo renferme donc deux fois plus d'énergie que chaque photon de la lumière marron.
Pour en savoir plus, voir les kezakos « Comment fonctionnent les radars automobiles », « D'où viennent les couleurs changeantes des ailes de papillons », « Comment fonctionne une IRM », « Pourquoi le ciel est bleu » et « Comment fonctionne un écran LCD »
La jonction p-n
Quand on met en contact un semi-conducteur dopé N avec un semi-conducteur dopé P, on crée une jonction P-N. Que se passe-t-il à l'endroit de la jonction ? On a d'un coté un matériau avec un excès d'électrons, et de l'autre un matériau avec un manque d'électrons. Et donc les électrons vont migrés naturellement de N vers P. Si l'on cherche à établir un courant électrique correspondant à un déplacement des électrons de N vers P, le courant s'établit. Au contraire, si l'on cherche à établir le courant opposé, ça ne passe pas, la jonction bloque le courant : c'est le principe de la diode, qui ne laisse passer le courant que dans une seule direction. C'est aussi sur ce principe que fonctionnent les diodes électroluminescentes, plus connus sous l'abréviation de LEDs. Dans ce cas, c'est lorsqu'un électron traverse la jonction qu'un photon est émis.
Les semi-conducteurs
Un semi-conducteur, comme son nom l'indique, est un matériau qui conduit l'électricité moins bien que les métaux, mais quand même mieux que les isolants. Un matériau semi-conducteur peut être rendu plus ou moins conducteur en y ajoutant des impuretés, c'est à dire des atomes autres que ceux du matériau : c'est le dopage. Dans un semi-conducteur dopé N, les impuretés rajoutent des électrons dans le semi-conducteur. Au contraire, dans un semi-conducteur dopé P, il y a moins d'électrons libres de se déplacer pour créer un courant électrique. Par exemple, le silicium est un semi-conducteur. Pour le doper N, on rajoute par exemple quelques atomes de phosphore ou d'arsenic. Et pour le doper P, on rajoutera par exemple du bore.
Exciter un électron
Pour qu'un électron passe de l'état de « captif » à l'état de « libre », il faut lui fournir de l'énergie. Par exemple, il faut fournir aux électrons du silicium une énergie de 1.1 eV pour qu'ils deviennent « libres ». eV signifie électron-volt, et c'est une unité d'énergie commode quand on parle d'électrons. Il s'agit de l'énergie d'un électron qu'on a accéléré en lui appliquant une tension de 1 Volt. C'est une quantité d'énergie extrêmement petite, correspondant à moins d'un milliardième de Watt pendant moins d'un milliardième de seconde. Mais elle est comparable à l'énergie d'un photon, et 1.1 eV est même très exactement égale à l'énergie d'un photon infrarouge de longueur d'onde 1100 nm. Ce qui signifie qu'en envoyant un photon infrarouge à 1100 nm sur un atome de silicium, on peut libérer un électron. Un photon rouge à 700 nm a une énergie d'environ 1.7 eV, donc 0.6 eV de plus. Si on utilise de la lumière rouge pour exciter un atome de silicium, ça fonctionnera donc aussi. Mais les 0.6 eV supplémentaires ne serviront qu'à accélérer temporairement l'électron, qui revient très vite à la même vitesse que les autres. En pratique, les 0.6 eV sont donc perdus, ils sont « gaspillés » pour rien. Et pour un photon violet à 400 nm, et donc environ 3.1 eV, c'est 2 eV qui sont perdus, soit les 2/3 de l'énergie fournie. Pour un photon violet, le rendement de la conversion par le silicium de l'énergie de la lumière en électricité n'est donc que d'1/3 !
Le silicium
Le silicium est l'élément chimique le plus abondant à la surface de la Terre, après l'oxygène. Il est l'un des constituants principaux de nombreuses roches, sous forme de silice (SiO2). Il existe soit sous forme amorphe, soit sous forme cristalline. Dans le silicium cristallin, les atomes sont alignés dans un ordre bien précis, alors que dans le silicium amorphe, les atomes sont désordonnés. Les deux formes ont des propriétés très différentes. Le silicium est utilisé depuis longtemps pour fabriquer du verre, qu'on obtient en faisant fondre du sable. Plus récemment, le silicium est devenu un matériau de base de l'électronique, grâce à ses propriétés de semi-conducteurs, et on le retrouve notamment dans les panneaux solaires photovoltaïques.
La lumière du soleil
La lumière du soleil qui arrive à la surface de la Terre se répartit entre les ultraviolets, la lumière visible et l'infrarouge. Le maximum d'énergie se situe dans le visible, mais comme le spectre émis dans l'infrarouge est plus large, il y a globalement plus d'énergie dans l'infrarouge. Cependant, il faut se rappeler qu'un panneau photovoltaïque au silicium ne profite pas des photons avec une longueur d'onde de plus de 1100 nm, et l'on voit donc qu'une grande partie de l'énergie infrarouge est perdue.
Types de panneaux solaires
Un panneau solaire transforme l'énergie solaire en une forme utilisable par l'homme. L'énergie solaire nous parvient sous forme de lumière à différentes longueurs d'onde, et notamment dans l'infrarouge et le visible. Les panneaux solaires photovoltaïques, qu'on appelle aussi simplement panneaux solaires, transforment cette énergie en électricité. Les panneaux solaires thermiques, qu'on appelle aussi capteurs solaires thermiques, ou simplement capteurs solaires, transforment cette énergie en chaleur, en général pour produire de l'eau chaude. Leur rendement est bien plus élevé que les panneaux solaires : 50% contre typiquement 10%. Enfin, il se développe un troisième type de panneaux solaires, dits hybrides, qui produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur. Il faut savoir que l'un des facteurs qui limite le rendement des panneaux solaires est la chaleur : l'efficacité des panneaux solaires baissent typiquement de 0.5% à chaque fois que la température augmente d'un degré. Et en fonctionnement, la température des panneaux solaires peut s'élever de plusieurs dizaines de degrés au dessus de la température ambiante. Dans les panneaux hybrides, on récupère cette chaleur pour chauffer de l'eau, et on augmente en plus le rendement de production électrique.
Photovoltaïques
L'un des facteurs limitant le rendement de conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique, c'est que pour les longueurs d'onde courtes, c'est à dire pour les photons les plus énergétiques, seule une partie de l'énergie est convertie en électricité. Cela est du au fait que le semi-conducteur utilisé, le silicium, a ce qu'on appelle un « gap » de 1.1 eV, alors que les photons arrivant sur Terre ont une énergie comprise entre 1 et 3 eV. Le supplément d'énergie des photons, par rapport à 1.1 eV, est perdu. Pour que ce ne soit pas le cas, on pourrait utiliser un autre matériau. Par exemple, l'InGaP a un « gap » de 1.86 eV, correspondant à une longueur d'onde de 666 nm, c'est à dire du rouge. Donc on peut extraire de chaque photon suffisamment énergétique 1.86 eV, contre 1.1 eV avec le silicium : on gagne 70%. Malheureusement, tous les photons d'énergie inférieure à 1.86 eV ne fournissent aucune énergie électrique : cela représente une grande partie des photons rouges et toute la lumière infrarouge, soit plus de la moitié des photons arrivant du soleil : on perd donc d'une coté ce que l'on a gagné de l'autre. La solution consiste à faire des cellules multi-jonctions, où par exemple trois matériaux sensibles à des longueurs d'onde différentes sont empilés. La lumière tombe d'abord sur le matériau avec le gap le plus élevé, qui converti efficacement les photons les plus énergétiques. Les autres photons continuent leur chemin et rencontrent le deuxième matériau, qui les convertit ainsi en électricité, et ainsi de suite. Les panneaux photovoltaïques multijonction sont beaucoup plus efficaces que les panneaux traditionnels, mais ils sont malheureusement très chers à produire, et on ne les trouve que dans des applications très spécifiques, par exemple dans les panneaux solaires des satellites.
Liens externes
Pour en savoir plus sur les électrons et l'électricité, voir les kezakos « Comment recharge-t-on une pile ? » et « Comment fabrique-t-on de l'électricité ? ».
Pour en savoir plus sur la photosynthèse, voir le kezako « Comment les plantes fabriquent elles de l'oxygène ? »
Pour en savoir plus sur le fonctionnement d'une pile, voir le kezako « Comment recharge-t-on une pile ? »
Cellules Grätzel
Ou cellules à colorants (DSSC)
Les cellules Grätzel portent le nom du chimiste suisse Mickaël Grätzel, qui les a conçues. Mais on les appelle les cellules DSSC, pour Dye-Sensitized Solar Cell, c'est à dire cellule solaire à pigment photosensible.
Les promoteurs des cellules Grätzel leur prêtent les avantages suivants (par rapport aux cellules en silicium) :
Elles ont un meilleur rendement en lumière diffuse, c'est à dire sous les nuages ou en éclairage ambiant
Elles n'ont pas de seuil de fonctionnement, et produisent de l'électricité même avec très peu de lumière
Leur rendement ne dépend pas de la température
Elles sont simples à fabriquer, pour un coût faible
Le choix du colorant détermine la couleur de la cellule. On peut donc en faire un objet très design. Si on choisit un colorant dans l'infrarouge, la cellule peut être complètement transparente. On peut aussi faire des cellules avec plusieurs colorants pour augmenter le rendement.
Les détracteurs des cellules Grätzel leur prêtent les inconvénients suivants :
Rendement faible
Pas de retour d'expérience à l'échelle industrielle
Les semi-conducteurs
Un semi-conducteur, comme son nom l'indique, est un matériau qui conduit l'électricité moins bien que les métaux, mais quand même mieux que les isolants. Un matériau semi-conducteur peut être rendu plus ou moins conducteur en y ajoutant des impuretés, c'est à dire des atomes autres que ceux du matériau : c'est le dopage. Dans un semi-conducteur dopé N, les impuretés rajoutent des électrons dans le semi-conducteur. Au contraire, dans un semi-conducteur dopé P, il y a moins d'électrons libres de se déplacer pour créer un courant électrique. Par exemple, le silicium est un semi-conducteur. Pour le doper N, on rajoute par exemple quelques atomes de phosphore ou d'arsenic. Et pour le doper P, on rajoutera par exemple du bore.
Les applications (Grätzel)
On trouve déjà aujourd'hui des chargeurs de téléphone ou de tablette qui sont en fait des cellules Grätzel, et même un sac à dos dont le panneau solaire est une cellule Grätzel. Mais parmi les points forts de ces cellules, il y a le fait qu'on puisse choisir leur couleur, et même les faire transparentes. On peut donc s'en servir comme élément de décor, ou les poser sur des vitres, d'autant que leur orientation par rapport au soleil est moins critique, puisqu'elles fonctionnent aussi bien en lumière diffuse. La réalisation la plus impressionnante dans ce domaine est le vitrage du centre de congrès de l’École Polytechnique de Lausanne, en Suisse (photo). Voir aussi la vidéo sur cette page.