La conversion photovoltaïque

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Classe(s) : 1re STI2D | Thème(s) : L'énergie transportée par la lumière

La conversion photovoltaïque est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel.

Une cellule photovoltaïque est un très mince disque de silicium monocristallin. On dope cette cellule avec des atomes de bore et de phosphore pour former 2 zones superposées (n) et (p). En soumettant la cellule au rayonnement solaire, une tension de l’ordre de 0,6 V apparaît entre ces zones.

Les photons incidents, entrant en collision avec les atomes de la cellule, lui cèdent leur énergie. Il apparaît un mouvement de charges électriques (d’électrons) permettant la circulation d’un courant électrique dans un récepteur branché aux bornes de la cellule.

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On définit :

le courant crête exprimé en ampère-crête (Ac) : c’est le courant maximum que peut délivrer la cellule soumise à l’irradiation maximale ;

la puissance crête exprimée en watt-crête (Wc) : c’est la valeur maximale de la puissance électrique délivrée par la cellule soumise à l’irradiation maximale ;

le rendement η (« éta ») de conversion : c’est le rapport de la puissance électrique délivrée sur la puissance reçue (pour une même surface).

Il existe 3 types de cellules photovoltaïques de rendements variables suivant la méthode de fabrication. Il s’agit des cellules :

monocristallines : rendement correct (15 à 20 %) mais coût de fabrication élevé ;

polycristallines : constituées de plusieurs cristaux, elles sont moins chères à fabriquer mais le rendement est un peu moins bon (10 à 12 %) ;

amorphes : leur coût est faible mais le rendement l’est aussi (5 à 10 %).

En plein soleil, correspondant à une irradiation de 1 000 W par m2 (en été au sud de la France), une cellule de bonne qualité peut délivrer une densité de courant de l’ordre de J = 3 A.dm–2 soit 300 A par m2. La densité de courant J est égale au quotient du courant délivré par la surface (A.m2).

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