Pour avoir de l’électricité à partir du soleil, les panneaux solaires constituent le maillon central du système. Convertir les rayons du soleil en électricité suit un processus. Le mode de fonctionnement de ces panneaux solaires se base sur deux aspects principaux pour alimenter votre logement ou votre bureau en énergies renouvelables. Ils captent la lumière du soleil et la convertissent en électricité brute par un phénomène physico-chimique : l’effet photovoltaïque.
Lumière du soleil : une énergie renouvelable à l’infini pour alimenter les panneaux solaires
Si les panneaux qui produisent de l’électricité sont dits « solaires », c’est parce que la lumière du soleil constitue leur source d’énergie. La lumière du soleil est une source d’énergie disponible à l’échelle de la planète et infini en termes de quantité. La lumière du soleil est le combustible utilisé par les panneaux solaires pour produire de l’électricité comme le ferait une chaudière fioul ou gaz pour le chauffage.
L’énergie que dispense le soleil en une heure ne peut pas être consommée en une année pour tous les besoins de l’humanité. Et selon les astrophysiciens, on estime à 5 milliards d’années, le temps qu’il faut au soleil pour épuiser son rayonnement et s’éteindre pour de bon. La production de l’électricité par des panneaux solaires en utilisant les rayons du soleil est donc inépuisable.
L’albédo, élément central dans la production d’énergie photovoltaïque
Quand le rayonnement solaire atteint la surface de la Terre, une partie de ce rayonnement est réfléchie et une autre est absorbée. C’est le principe de l’albédo selon lequel tout corps dont l’albédo n’est pas égal à zéro possède la capacité de réfléchir la lumière du soleil et d’en absorber une partie sous forme de chaleur.
Seuls les corps avec un albédo égal à zéro ne réfléchissent pas la lumière du soleil, par contre, ils l’absorbent. C’est le cas des corps dits « noirs ». Tous les autres corps n’ayant pas un albédo égal à 0, donc proche de 1 possèdent des capacités de réflexion de la lumière solaire. Il peut s’agir des :
- Êtres vivants (humains, animaux et végétaux) ;
- Plans d’eau (océans, lacs, fleuves…) ;
- Sols de tout genre ;
- Constructions comme les panneaux solaires.
Afin de produire de l’électricité, on expose les panneaux solaires à la lumière du soleil. Ainsi, ils réfléchissent une partie du rayonnement tout en absorbant une autre partie sous forme de chaleur. Entre le fait de réfléchir la lumière du soleil et d’en absorber une partie, il se passe un effet photoélectrique. C’est l’effet photovoltaïque !
Comprendre l’effet photovoltaïque
La mise en évidence de l’effet photovoltaïque porte la signature du physicien français Edmond Becquerel qui l’a découvert en 1839. Celui-ci présente ses travaux de recherche à l’Académie des sciences en démontrant que face à une certaine exposition à la lumière, certains métaux sont aptes à produire de l’électricité.
Ces métaux en question présentent 2 propriétés. Ils agissent en tant qu’isolants de même qu’ils se comportent comme agents conducteurs d’électricité. On parle de matériaux semi-conducteurs. Pour renforcer leurs propriétés de conduction électrique, les matériaux semi-conducteurs subissent un procédé que l’on appelle dopage. Ce faisant, leur propension à générer de l’énergie électrique s’élève à mesure que l’intensité lumineuse du soleil augmente.
L’un des matériaux à avoir ces propriétés et disponible en quantité dans la croûte terrestre est le silicium. Bien qu’il existe d’autres matériaux qui ont la même caractéristique que le silicium, ce dernier est de loin le matériau semi-conducteur qui équipe plus de 90 % de panneaux. Le silicium demeure l’élément clé de la conversion du rayonnement solaire en électricité par l’effet photovoltaïque.
Toutefois, ce n’est pas le seul matériau à avoir ces propriétés. Avec les avancées de la recherche, des matières composites de divers genres possèdent des propriétés de génération d’électricité à partir des rayons solaires.
Composition d’un panneau solaire
Pour comprendre le fonctionnement des panneaux solaires dans la conversion de la lumière en énergie électrique, la chose à savoir d’abord, ce sont les éléments qui servent à leur fabrication. L’architecture et les composants des panneaux solaires ont une grande incidence sur la transformation de la lumière du soleil en énergie électrique.
On peut se servir de différents dispositifs pour capturer la lumière du soleil et le convertir en électricité, et même en chaleur. Le dispositif le plus courant est composé de la classe des panneaux solaires photovoltaïques avec des cellules de silicium cristallins. Ces cellules sont monocristallines ou polycristallines. Mais, il y a également les panneaux photovoltaïques amorphes.
La différence entre les panneaux avec des cellules cristallines et ceux ayant des cellules amorphes se situe au niveau du rangement des atomes du silicium. Dans les panneaux monocristallins et polycristallins, les atomes du silicium sont rangés en ordre dans les cellules. Ce qui n’est pas le cas des panneaux amorphes.Ici, les atomes sont désordonnés.
Cette différence explique en partie les résultats de chaque type de panneaux puisqu’ils n’ont pas les mêmes propriétés de conductivité électrique. À part le matériau semi-conducteur silicium, qui par l’effet photovoltaïque transforme la lumière solaire en électricité, d’autres éléments entrent dans la composition d’un panneau solaire. On retient le :
- Châssis d’assemblage des différents éléments du panneau ;
- Film de verre protecteur contre les intempéries et l’exposition des cellules avec le milieu extérieur ;
- Plateau de cellules photovoltaïques pris en sandwich dans un polymère thermoplastique dit EVA ;
- Boîtier d’interconnexion.
Comment se passe la conversion de la lumière du soleil en électricité ?
C’est par l’effet photovoltaïque que les panneaux solaires convertissent la lumière du soleil en électricité. Tout se passe entre les photons provenant du soleil et les différents types d’électrons que combine le silicium cristallin.
Effets du dopage du silicium et interaction des électrons
Le processus de dopage crée sur chaque cellule de silicium, une zone avec une charge positive et une seconde zone avec une charge négative. La zone de charge positive est celle dopée au bore et celle de la charge négative au phosphore. En gros, le dopage au bore et au phosphore contribue à améliorer la conductivité électrique du silicium en créant un déficit d’électrons dans une zone et un excédent dans l’autre zone.
Chaque atome du silicium possède 4 électrons de valence (un électron de valence dispose des propriétés de migration vers d’autres atomes pour former une liaison chimique). Or, les atomes du phosphore contiennent 5 électrons de valence et les atomes du bore 3 électrons de même type.Avec le dopage, les atomes du phosphore libèrent un électron de valence en excédant dans la zone négative par rapport aux électrons de valence du silicium qui ne sont que 4.
Quant à la zone positive, l’atome de Bore libère 3 électrons, donc un électron de moins que les atomes de silicium. Il se crée alors un point de jonction ou de transition, car les électrons cherchent à aller d’une zone à l’autre pour combler le vide. C’est lechamp électrique qui se dresse entre la zone positive et négative.
Phase de conversion des photons de la lumière solaire en courant continu
Sous l’action de la lumière du soleil, les électrons de silicium se gorgent de l’énergie des photons et se détachent de l’atome de silicium. Une situation qui crée un grand vide avec des trous que cherchent à combler, sous agitation, les électrons restants. Mais, le mouvement de migration est contenu rapidement par le champ électrique.
Ainsi isolés de part et d’autre,les électrons remplis de l’énergie des photons sont aspirés par des collecteurs de chaque côté. Une partie passant par la zone positive et l’autre par la zone avec une charge négative.
Les cellules cristallines dont la conductivité électrique est dopée au bore et au phosphore produisent de l’électricité de cette façon avec une borne positive et une borne négative.C’est le courant continu appelé Direct Current (DC) en anglais. Cette qualité d’électricité, produite par conversion de l’énergie solaire, ne peut encore servir à alimenter vos équipements électriques. Une fois ce courant continu obtenu, il doit subir une autre conversion avant d’être utilisable.
À l’aide d’un ou plusieurs onduleurs, le courant continu sera transformé en courant alternatif ou Alternative Current (AC) en anglais. Cette énergie électrique peut à ce stade être consommée. Rappelons toutefois qu’il est dangereux de consommer cette électricité sans l’installation d’autres équipements tels que :
- Coffrets AC/DC ;
- Dispositif de mise à la terre ;
- Parafoudre…
À cause de tous ces paramètres techniques, il est dans votre intérêt de faire appel à un installateur professionnel. Selon la situation, il pourra vous conseiller s’il est préférable de procéder à une installation en série ou en parallèle des panneaux solaires.