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Les conversions d'énergie

Energie rayonnante -> énergie électrique

L'effet photovoltaïque

Découvert par Antoine Becquerel au 19ème siècle, l’effet photovoltaïque permet de convertir une énergie radiative (rayonnante) en énergie électrique.

Lorsqu’un photon (constituant élémentaire du rayonnement) frappe un matériau dit semi-conducteur, il transfère une partie de son énergie à un électron, présent dans le matériau. Bien souvent, le semi-conducteur n’est autre que le silicium.

Revenons-en à notre photon. Ce dernier, qui constitue tout rayonnement électromagnétique (dont la lumière), « renferme » de l’énergie. Cette énergie peut être évaluée grâce à la relation suivante :

E = h x ν

Où E est l’énergie d’un photon (en Joules, J), h la constante de Planck (= 6,62606957×10-34 J.s) et ν la fréquence (en Hertz, Hz) du rayonnement considéré. Via l'effet photovoltaïque, il est possible d’exploiter cette énergie.

Pour peu qu’elle soit suffisamment élevée, une partie de cette énergie va permettre de "détacher" un électron du matériau semi-conducteur frappé par le rayonnement. Lorsque l’électron quitte son emplacement initial, il va spontanément chercher à en trouver un nouveau. Typiquement, ces emplacements sont appelés des trous.

Si l’électron trouve un trou où se reloger, l’énergie que lui avait communiqué le photon sera dissipée. Dans un élément photovoltaïque, l’idée est d’empêcher électrons et trous de se combiner afin que l’électron reste en mouvement (et donc conserve son énergie). Pour cela, on va utiliser deux types de semi-conducteur. L’un va être dopé positivement (on dira qu’il est dopé P) et l’autre dopé négativement (dopé N). Le dopage est obtenu en modifiant la constitution chimique du semi-conducteur. Empilés, les deux types de semi-conducteur vont obliger les électrons (chargés négativement) à se diriger vers la couche dopée négativement, tandis que les trous vont se diriger vers la couche dopée positivement. Ce mouvement va engendrer une différence de potentiel (une tension électrique). Afin de la récupérer et l’exploiter, on place au niveau de chaque couche un contact électrique, en métal, dont le rôle est de canaliser le courant généré.

Sur la face exposée au rayonnement, le contact doit permettre de laisser passer les photons. Pour cela, le contact est réalisé sous forme de peigne. Nous pouvons le voir sur l’image suivante, en 3 dimensions.
 

Si l'on zoome, voici le détail des couches :

Ci-dessous, revoyons la cinématique du phénomène.

1- Un photon, issu du rayonnement, pénètre dans le semi-conducteur. Il y frappe un électron, qui était jusque la immobile dans son trou.

2- Sous le choc, l'électron quitte son trou, et migre vers le semi-conducteur dopé n. Le trou migre de son côté vers le semi-conducteur dopé p.

3- L'électron se trouve ainsi injecté dans le circuit électrique...

4- ...dans lequel son déplacement génère un courant électrique.

Une cellule photovoltaïque ne mesure que quelques cm². Elles sont assemblées en série pour former des panneaux photovoltaïques.

En pratique, un panneau photovoltaïque affiche un rendement de l'ordre de 20% (plus en laboratoire, ou sur des modèles haut de gamme). Cela signifie que si un panneau reçoit 1000W/m², il pourra en convertir 200 en électricité.

      Energie chimique -> Energie rayonnante
      Energie chimique -> Energie mécanique
      Energie chimique -> Energie électrique
         L'oxydo-réduction
    
 Energie chimique -> Energie thermique
         La combustion

      Energie mécanique -> Energie thermique
         Les frottements
      Energie mécanique -> Energie chimique
      Energie mécanique -> Energie hydraulique
         Le pompage
      Energie mécanique -> Energie électrique

      Energie électrique -> Energie thermique
         L'effet Joule
      Energie électrique -> Energie chimique
      Energie électrique -> Energie rayonnante
      Energie électrique -> Energie mécanique

      Energie thermique -> Energie électrique
         L'effet Seebeck
         La turbine à vapeur et l'alternateur (indirect)
      Energie thermique -> Energie chimique
      Energie thermique -> Energie rayonnante
         Incandescence
         Rayonnement infrarouge
      Energie thermique -> Energie mécanique

      Energie rayonnante -> Energie électrique
         L'effet photovoltaïque
      Energie rayonnante -> Energie chimique
      Energie rayonnante -> Energie thermique
         L'absorption

      Energie hydraulique -> Energie mécanique

      Energie nucléaire -> Energie thermique

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