Les cellules photovoltaïques des panneaux solaires ont la capacité de transformer l’énergie solaire en énergie électrique.
I. Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque est l’unité de base des panneaux solaires.
Elle est le plus souvent composée de silicium, un matériau semi-conducteur qui devient conducteur quand on l’éclaire.
Afin de favoriser la circulation des électrons et le passage du gap, on introduit dans le silicium des impuretés comme le bore et le phosphore.
Le bore a un électron de moins que le silicium, ce qui crée un « trou », équivalant à une charge positive. On parle de dopage de type P, comme « positif ».
Le phosphore a un électron de plus que le silicium. On parle de dopage de type N, comme « négatif ».
Doc 1 Structure et fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Spontanément, les électrons en excès de la couche de silicium dopé N (phosphore) ① diffusent dans la couche de silicium dopé P (bore) ③, déficitaire en électrons. Une jonction en silicium ② se forme alors et un équilibre interne se met en place.
Les photons du Soleil reçus par la grille conductrice arrachent des électrons aux atomes de silicium de la couche ①, ce qui crée un déséquilibre interne. Les électrons de la cathode migrent alors vers la couche ③, tandis que ceux des couches ①, ② et ③ rejoignent l’anode conductrice. Cette circulation d’électrons génère un courant électrique.
Plus le nombre de photons est grand, plus l’intensité du courant est grande.
II. Optimiser la puissance des cellules photovoltaïques
Pour connaître la puissance électrique maximale d’une cellule photovoltaïque, on la relie à un rhéostat et on l’éclaire avec une lampe. On fait ensuite varier la résistance du rhéostat, tout en relevant l’intensité du courant et la tension aux bornes de la cellule.
Mot-clé
Un rhéostat est une résistance qui permet de faire varier l’intensité dans un circuit électrique.
Il faut ensuite tracer la caractéristique intensité-tension (doc. 2).
Cette courbe représente l’évolution de la tension aux bornes d’un dipôle (ici, la cellule) en fonction de l’intensité du courant qui le traverse.
Doc 2 Caractéristique intensité-tension, Courbe I = f(U)
Doc 3 Puissance électrique d’une cellule, Courbe P = f(U)
Pour obtenir la courbe du doc. 3, représentant la puissance électrique d’une cellule, on utilise la caractéristique intensité-tension et on met en ordonnée la puissance, calculée en appliquant la relation P = U × I.
Cette courbe fait apparaître une puissance électrique maximale Pmax délivrée par la cellule pour une valeur de tension Umax. Grâce à la courbe du doc. 2, on en déduit la valeur Imax du courant. Puis, on applique la loi d’Ohm U = R × I, pour en déduire la valeur de la résistance qui maximise la puissance.