Un panneau photovoltaïque est composé de plusieurs cellules photovoltaïques, généralement en silicium, qui est un semi-conducteur. Chaque cellule a une structure sandwich :
Côté supérieur : mince couche transparente pour laisser passer la lumière.
Côté silicium : deux couches principales, l’une dopée au phosphore (couche N, avec excès d’électrons), l’autre dopée au bore (couche P, avec déficit d’électrons ou “trous”).
Côté arrière : couche conductrice pour récupérer les électrons.
Principe physique : l’effet photovoltaïque
Absorption de la lumière : Les photons du soleil frappent la cellule et transfèrent leur énergie aux électrons du silicium.
Création de paires électron-trou : L’énergie des photons excite les électrons qui quittent leur position et laissent derrière eux un "trou".
Séparation des charges : Grâce à la jonction P-N (l’interface entre la couche P et N), les électrons libres sont dirigés vers la couche N et les trous vers la couche P.
Courant électrique : Si on relie les deux côtés par un circuit externe, les électrons circulent dans le circuit pour rejoindre les trous, produisant ainsi un courant continu.
Du courant continu au courant utilisable
Le courant produit par les panneaux est continu (DC). Or, la plupart des appareils électriques utilisent du courant alternatif (AC). Pour cela, on utilise un onduleur, qui transforme le DC en AC.
Facteurs influençant la performance
Ensoleillement : plus le soleil est fort et direct, plus le courant produit est élevé.
Température : le rendement des cellules diminue quand il fait trop chaud.
Orientation et inclinaison : un panneau bien orienté (souvent plein sud dans l’hémisphère nord) capte plus de lumière.
Ombres et saleté : même une petite ombre peut réduire considérablement la production.
En résumé : la lumière frappe le silicium → création d’électrons libres → circulation dans le circuit → électricité utilisable.
Exercice : Calcul d’énergie et de rendement d’un panneau photovoltaïque
Un panneau photovoltaïque de 1 m² est exposé à la lumière du soleil avec une irradiance de 1000 W/m² (c’est la puissance solaire reçue par m²). Le panneau a un rendement de 18% et est constitué de cellules au silicium dont la longueur d’onde moyenne absorbée est λ = 600 nm.
Questions
Puissance électrique produite
Calcule la puissance électrique maximale que peut produire le panneau.
Énergie produite en 1 heure
Calcule l’énergie électrique (en Wh) produite par le panneau si l’ensoleillement est constant pendant 1 heure.
Nombre de photons absorbés
Calcule l'énergie d'un photon et le nombre de photons absorbés par le panneau en 1 seconde.
Constante de Planck :
$h = 6,63 \times 10^{-34} \,\text{J.s}$
Vitesse de la lumière : $c = 3,00 \times 10^8 \,\text{m/s}$
On suppose que le panneau est composé de 36 cellules montées en série et que chaque cellule a une tension de 0.6 V. Calcule la tension totale du panneau.
En déduire l'intensité réelle du panneau.
Nombre d’électrons produits par seconde
En supposant que chaque photon absorbe produit un électron (idéalement), combien d’électrons circulent par seconde dans le circuit ? En déduire l'intensité du courant.
En pratique, tous les photons n'éjectent pas de photon. L'intensité réelle du panneau est de 8.33 A. Recalculer le nombre de photons par seconde.
Données utiles
Puissance reçue par le panneau : $P_{\text{reçue}} = \text{Irradiance} \times \text{surface}$
Constante de Planck : $h = 6,63 \times 10^{-34}\,\text{J.s}$
Vitesse de la lumière : $c = 3,00 \times 10^8\,\text{m/s}$
Puissance électrique produite
La puissance reçue par le panneau est :
$$
P_\text{reçue} = I \times S = 1000 \times 1 = 1000\,\text{W}
$$
La puissance électrique produite par le panneau est :
$$
P_\text{élec} = \eta \times P_\text{reçue} = 0,18 \times 1000 = 180\,\text{W}
$$
Réponse : 180 W
Énergie produite en 1 heure
Énergie électrique :
$$
E = P_\text{élec} \times t
$$
où $t = 1\,\text{h} = 3600\,\text{s}$, mais pour les Wh :
$$
E = 180\,\text{W} \times 1\,\text{h} = 180\,\text{Wh}
$$
Réponse : 180 Wh
Énergie d’un photon et nombre de photons absorbés par seconde
La puissance absorbée par le panneau :
$$
P_\text{absorbée} = \eta \cdot P_\text{reçue} = 180\,\text{W} = 180\,\text{J/s}
$$
Nombre de photons par seconde :
$$
N_\text{photons} = \frac{P_\text{absorbée}}{E_\text{photon}} = \frac{180}{3,315 \times 10^{-19}} \approx 5,43 \times 10^{20}\,\text{photons/s}
$$
Réponse : environ $5,4 \times 10^{20}$ photons par seconde
Nombre d’électrons produits par seconde dans le cas idéal
Chaque photon idéal produit un électron, donc :
$$
N_\text{électrons} = N_\text{photons} \approx 5,4 \times 10^{20}\,\text{électrons/s}
$$
Le courant électrique produit peut aussi se calculer avec :
$$
I = N_\text{électrons} \cdot e
$$
où $e = 1,602 \times 10^{-19}\,\text{C}$.
Réponse : environ $5,4 \times 10^{20}$ électrons par seconde
La tension totale du panneau
Dans un montage en série, les tensions s’additionnent.
Donc la tension totale est donnée par :
$$
V_\text{total} = N \times V_\text{cellule}
$$