Les panneaux solaires (photovoltaïques)

Les panneaux solaires, ceux qui produisent de l'électricité sont des panneaux photovoltaïque parce qu'à partir de la lumière ("photo") on obtient une tension (qui se mesure en volt). A mon avis, et je ne dois pas être le seul, c'est l'énergie du futur - au moins d'un futur relativement proche. Plus ça va, plus ils sont efficaces, moins il demandent d'énergie pour les fabriquer (ce qui est très très important dans le bilan global d'efficacité desdits panneaux).

Bref.

Les panneaux solaires sont en semi-conducteur : en général du silicium. Le silicium est très abondant (le sable ou le verre, c'est un atome de silicium pour deux d'oxygène). Nous n'en manquerons pas tout de suite.

Le courant électrique, ce sont des mouvements de charges électriques. En général, ce sont les électrons qui bougent dans les matériaux parce que les électrons portent une charge électrique qui est très importante par rapport à leur masse (ils sont très légers). Dans un semi-conducteur, cependant, on peut considérer qu'il y a un autre type de "porteur de charge". Ce sont les trous.

Si, si, je vous promets ! En fait, ça reste les électrons qui sont responsables du courant, mais d'une façon très indirecte. En gros, un électron dans un semi-conducteur, il n'est pas libre (c'est pour ça qu'un semi-conducteur est en fait un isolant). Des fois, il y a une place de libre entre les électrons. Un trou. Du coup, un électron peut venir le combler. Ce qui signifie que le trou s'est déplacé ! Quand un trou se déplace, en fait, les électrons qui ne sont pas vraiment libres se déplacent - donc il y a bien un courant électrique. Un trou est un porteur de charge libre de se déplacer.

Dire que les électrons se déplacent de proche en proche, ça signifie que le trou se déplace librement.

Il reste une chose : les électrons se repoussent entre eux, parce qu'ils ont une même charge. Une charge négative - et les charges de même signe se repoussent. Si vous avez un excès de charge négative à un endroit, cela repousse les autres électrons. Si il y a un trou pas loin de cet excès de charges, il va être comblé parce que ça permet d'éloigner un électron un peu plus des charges négatives concentrées. Autrement dit : les charges négatives repoussent les électrons et du coup, elles attirent les trous ! Un trou se comporte exactement comme un porteur de charge positif...

[schéma : Quand les électrons vont dans un sens, les trous vont dans l'autre ! Lorsque les électrons sont repoussés, cela revient à dire que les trous sont attirés.]

Dans un panneau solaire, le silicium est divisé en deux zones : dans la première zone (la zone "N"), on a mis des atomes avec des électrons en plus par rapport au silicium. Chacun de ces atomes fournit en fait un électron libre au silicium. Dans l'autre zone (la zone "P"), on a remplacé des atomes de silicium par des atomes ayant un électron de moins. En fait, ils fournissent des trous !

[schéma : ]

Si on imagine qu'on met en contact les deux zones, les trous et les électrons libres qui se retrouvent en contact se combinent : un électron remplit un trou, et les deux porteurs de charges "disparaissent". Le trou disparaît parce que l'électron libre prend une place libre dans l'ensemble des électrons qui ne peuvent pas bouger.

Mais en faisant ça, et c'est très important, les électrons qui quittent la zone "N" laissent sur place leur atome "donneur". Qui a du coup une charge positive de trop. Inversement, les trous laissent sur place leur donneur qui a une charge négative de trop. Au bout d'un moment, il y a donc un champ électrique qui fait que les électrons sont attirés du côté "N" (qui a un excès de charges positives) et les trous du côté "P" (qui a un excès de charges négatives).

C'est là que la lumière intervient : lorsqu'on soumet le semi-conducteur à un flux de lumière, cela fournit assez d'énergie pour faire sortir les électrons immobile du rang pour qu'ils deviennent mobiles et qu'un trou apparaisse. Et aussitôt, l'électron est attiré dans la zone "N" et le trou dans la zone "P". L'électron aimerait bien aller combler le trou, mais maintenant ils sont séparés. Et le champ électrique les empêche de se rejoindre. Si jamais on "branche" les deux zones à un circuit électrique, l'électron va tenter de rejoindre le trou car ils s'attirent. C'est à dire qu'il existe une tension aux bornes de la jonction et que le panneau solaire pousse les électrons à circuler dans le circuit électrique : il génère un courant !

Pour résumer : la lumière crée une paire électron-trou, qui se retrouve séparée. Pour retrouver le trou, l'électron a la possibilité de faire le tour, parce que c'est plus facile que de traverser la jonction ! Voilà comment fonctionne un panneau solaire.