2025-2026- Les panneaux photovoltaïques - Enseignement scientifique

Une cellulephotovoltaique

1. Histoire des sciences

Au début du XXiècle siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle appelée, mécanique quantique, qui s'interesse aux interactions entre la lumière et la matière. Les travaux de trois scientifiques (Planck, Einstein et Bohr) ont montré que les échanges d'énergie entre la lumière et la matière sont : l'énergie lumineuse absorbée par la matière ne peut correspondre qu'à certaines quantités d'énergie bien spécifiques. Ces valeurs d'énergie sont uniques à chaque matériau.

quantifiés

Max Planck

Albert Einstein

Niels Bohr

2. L'énergie quantique d'un matériau (1 sur 2)

Au sein d'un matériau, l'énergie des électrons des atomes s'organise en deux bandes d'énergie quantiques : La position énergétique des deux bandes entre elles permettent d'expliquer les différentes propriétés électriques des matériaux

Energie (en eV)

- Bande de valence (B.V.) remplie d'électrons non excités qui ne peuvent pas bouger. - Bande de conduction (B.C.) initialement vide où les électrons excités (ayant une énergie plus importante) peuvent se déplacer librement ainsi d'un atome à l'autre et créer ainsi du courant électrique

B.C.

B.V.

CONDUCTEUR SEMI-CONDUCTEUR ISOLANT

Energie (eV)

E(gap) ≃ 6 eV

E(gap) ≃ 1 eV

Energie lumineuse absorbée

Energie requise considérable

Un matériau conducteur est constitué d'atomes dont certains électrons sont déjà présents dans la bande B.C. (électrons "libres"), il faut juste leur indiquer un sens de déplacement (brancher à un générateur) et permetttre ainsi le passage du courant électrique. Il ne nécessite aucun apport d'énergie extérieur.

Pour un matériau isolant, la différence d'énergie entre les bandes d'énergie, appelée "gap", est une barrière d'énergie interdite pour les électrons. Elle est très importante (supérieur en moyenne à 6 eV).

Un matériau semi-conducteur est un matériau isolant où le gap est suffisament faible pour qu' un apport d'énergie extérieure permettre le passage des électrons de la bande B.V. vers la bande B.C. Le matériau passe ainsi d'un état isolant à un état conducteur,

3. Choix d'un bon semi-conducteur

Pour qu' un semi-conducteur soit utilisé dans une cellule photovoltaique, il faut qu'il respecte le plus de critères possibles :

Critères d'éfficacité énergétique : Critères économiques :

- Le spectre d'absorption du matériau recouvre la plus grande partie de forte intensité luminueuse du spectre d'émission du Soleil

- Le matériau doit être présent en quantité importante sur Terre pour l'exploiter à l'échelle humaine

- Le rendement de conversion du matériau soit le plus important possible

- Le coût faible d'extraction et de production du matériau

4. Du semi-conducteur silicium à la cellule photovoltaique