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Energie Solaire : les bases théoriques pour la comprendre

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La conversion du rayonnement solaire en énergie calorifique, électrique ou chimique, pour nos usages, recouvre ce que l’on a coutume  d’appeler « l’Energie Solaire ».  Cette énergie est devenue au fil du temps une des sources d'énergies renouvelables majeures au côté de la biomasse, de l’énergie hydraulique ou de l’énergie éolienne.

L’usage de l’Energie Solaire reste à ce jour assez faible si on la compare aux autres sources d'énergie.  Même parmi les énergies renouvelables, elle reste encore minoritaire, ce qui est  matière à paradoxe puisque la captation du rayonnement solaire reçu à la surface de la terre est de loin la ressource la plus abondante parmi toutes celles qui nous sont offertes.

Pour comprendre les différents modes de conversion du rayonnement de notre astre, des bases théoriques sont indispensables. On les acquiert en partant de la ressource, à savoir l’énergie issue de notre étoile et reçue à la surface  de la terre, puis en explicitant  les principes physiques régissant l’interaction entre le rayonnement et la matière lesquels  conduisent à la conversion de ce rayonnement en chaleur ou en électricité dans les différents corps.

1. La ressource : le rayonnement solaire à la surface de la terre

Comment l'énergie libérée par le soleil parvient-elle sur notre planète par rayonnement et par quelle méthodologie ce dernier peut-il être mesuré ?

1.1. Le fonctionnement du soleil : conversion de masse en énergie électromagnétique par fusion nucléaire

Le soleil, notre étoile,  est le siège comme toutes les étoiles de réactions thermonucléaires libérant une énorme quantité d’énergie[1]. Il a été montré que c’est la réaction de fusion de quatre atomes d’hydrogène en un atome d’Helium 4 qui est impliquée (réaction de fusion nucléaire):

4 H1 ÷> He4 + E(énergie)

 La perte de masse impliquée par cette réaction dans le soleil est de 5 109 kg par seconde, soit 5 millions de tonne par seconde. Ceci implique selon l’équation d’équivalence Masse (m)/Energie (E), la fameuse équation :

E = mc2 où c est la vitesse de la lumière, une puissance de 4 1026 W soit 400000 milliards de TW, une puissance absolument considérable.

Cette énergie est libérée dans le cœur du soleil, le noyau (Figure 1).  Des échanges énergétiques complexes ont lieu entre ce noyau et la périphérie, d’abord sous forme radiative dans une zone intermédiaire dite « radiative », puis à travers la convection dans la couche périphérique dite « convective ».

Fig. 1 : Schéma en coupe du soleil La température extrêmement élevée dans le noyau (15 106 K) s’abaisse à 5900 K à la « surface » extérieure.  In fine, l’ensemble de cette puissance est évacuée à l’extérieur essentiellement sous forme de rayonnement électromagnétique (lumière) par cette surface périphérique  dont la températures est de 5900K et qu’on appelle la photosphère. Le spectre de cette lumière émise est donc très proche de celui du corps noir à cette température (courbe orange dans la Figure 2).  

Fig. 2 : Spectre du soleil terrestre et extra-terrestre et comparaison avec le spectre du corps noir à 5900K Ce spectre couvre une large étendue de longueur d’onde de l’infrarouge assez profond jusqu’à l ‘ultraviolet. Bien-sûr, le maximum d’intensité se situe au milieu du spectre visible, ce qui n’est pas étonnant. Nos yeux se sont adaptés, au cours de l’évolution, pour capter ainsi le maximum de photons. 

1.2. Le rayonnement solaire à la surface de la terre

Fig. 3 : Comparatif entre l’énergie reçue annuellement par la surface de la terre et le stock des différentes formes d’énergie fossile dans le sous-sol de notre planète   Ce rayonnement arrive ensuite sans encombres jusqu’à la zone sub-atmosphérique de la terre au prorata de l’angle solide lié à la distance et à la taille de notre planète. La puissance reçue par cet hémisphère éclairé, infime par rapport à la puissance globale du soleil, représente tout-de-même encore une puissance gigantesque de 170 000 TW. Ce flux est plus de 2000 fois supérieur à nos besoins énergétiques actuels.

 Si on compare ce flux annuel aux ressources énergétiques fossiles stockées dans notre sous-sol (Figure 3), on constate que la conversion directe, même diffuse, représente une ressource considérable.

Ce rayonnement va subir un certain nombre d’interactions avec l’atmosphère et la surface de notre planète (Figure 4)[2] :

  • réflexion d’une partie du rayonnement par la surface de la terre ou par les particules présentes dans l’atmosphère (nuages et poussières);
  • absorption de certains photons par les gaz présents dans l’atmosphère  (vapeur d’eau, CO2, ozone O3 et O2) et cela pour certaines longueurs d’onde bien précises (Figure 5) ou par les poussières;
  • absorption par les sols ou l’eau présents à la surface du globe.

Fig. 4 : Modes et bilan d’interaction du rayonnement solaire avec l’atmosphère et avec la surface de la terre (flèches jaunes) et modes d’interaction du rayonnement infra-rouge réémis par la surface de la terre. Le bilan énergétique relatif (base 100) est donné par les chiffres en haut du schéma.

Fig. 5 : Spectre du soleil terrestre (en rouge) et extra-terrestre (en jaune) avec distinction entre la part UV, la part visible et la part infra-rouge. Bandes d’absorption dues aux différents gaz présents dans l’atmosphère (03, O2, H2O, CO2)

Le réchauffement induit par l’absorption du rayonnement au sol ou dans l’atmosphère va induire un certain nombre de phénomènes :

  • évaporation de l’eau puis re-condensation de celle-ci dans l’atmosphère pour créer les nuages et la pluie ;
  • mouvements de l’air liés aux différences de température d’un lieu à l’autre dans l’atmosphère (création des anticyclones et des dépressions) ;
  • émission de cette énergie absorbée dans l’espace sous forme de rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde (flèches rouges dans la Figure 4)

Les énergies renouvelables majeures que sont l’énergie hydraulique et l’énergie éolienne résultent de ces interactions du rayonnement avec l’atmosphère. In fine, le rayonnement est converti en énergie mécanique soit par l’élévation des masses d’eau, soit par le mouvement des masses d’air. Quant à la biomasse, elle est une conversion directe du rayonnement en énergie chimique en transformant le CO2 atmosphérique en matériau organique.

Fig.  6 : Première cause de variation du flux d’énergie solaire à la surface de la terre : sa rotation sur elle-même et sa révolution autour du soleil. Le rayonnement à la surface de la terre est bien entendu variable. Une première cause vient des mouvements de la terre par rapport au soleil : d’une part sa rotation sur elle-même autour de l’axe des pôles entrainant les cycles journaliers, et d’autre part sa révolution autour du soleil, qui, en raison de l’inclinaison de l’axe de rotation, entraîne les cycles saisonniers (Figure 6).

Ces cycles sont dépendants de la latitude du lieu et impliquent d’importants changements de disponibilité et de typologie de variation de l’énergie solaire selon les lieux et les saisons.

Une deuxième cause de variation tient à l’importante quantité d’eau dans l’atmosphère à l’origine des nuages. Ces derniers constituent un fort masque au rayonnement en diminuant la densité du rayonnement, mais sans toutefois l’annuler.  Ce masque affiche lui aussi une grande variabilité qui n’est fortement atténuée que dans les régions désertiques continentales. Il s’agit de la variabilité météorologique. L’atténuation du rayonnement est d’ailleurs plus ou moins importante selon la densité du nuage en densité de particules constituées par les gouttelettes d’eau. Ces dernières réfléchissent et rediffusent le rayonnement vers l’espace et aussi vers le sol.

En présence de nuage, le rayonnement reçu par la surface de la terre ne vient donc plus essentiellement du disque solaire mais dans une partie notable, voire majoritaire, de l’ensemble de l’angle solide à l’exclusion du disque solaire. La moyenne de la couverture nuageuse dépend là aussi fortement du lieu et de son climat.  La variation, contrairement à celle liée au mouvement de l’astre, est beaucoup plus aléatoire mais partiellement prévisible à partir des prévisions météorologiques.

Le climat a une forte influence, non seulement sur l’intensité des variations, mais aussi sur l’irradiation globale annelle, à savoir l’intégrale de rayonnement (irradiance) reçu en un lieu par an. La connaissance de cette intégrale est importante si on veut apprécier la rentabilité d’une installation.

Fig. 7 : Part de chaque mois à l’irradiation annuelle globale en  France Les deux causes de variation (cycles astraux et climat)  s’associent pour expliquer les importantes causes de variation annuelle. Un exemple est donné ci-dessous pour la France (Figure 7). L’effet du climat (forte nébulosité des mois d’hiver) vient s’ajouter à la réduction de la durée du jour pour expliquer la faible contribution des mois d’hiver à l’irradiation annuelle globale.  

1.3. Méthodologie de mesure du rayonnement solaire à la surface de la terre et données d’ensoleillement

En raison des interactions du rayonnement avec l’atmosphère et pour bien apprécier  le flux d’énergie reçu par un capteur solaire selon son type, on a l’habitude de mesurer plusieurs types de paramètres d’irradiance[3] (densité du flux énergétique par unité de surface). Ces types d’irradiance sont exprimés en J/m2 ou plus souvent pour des raisons pratiques en Wh/m2:

  • un premier paramètre est l’irradiance directe reçue en un point donné depuis le disque solaire[4], appelé Irradiance Directe Normale ( Direct Normal Irradiance - DNI ) ; il est mesuré par un appareil pointé constamment sur le disque solaire et muni d’un diaphragme permettant d’éliminer le rayonnement non issu du disque solaire ; on appelle ce type d’appareil un pyrhéliomètre ; cette mesure de DNI  est celle à laquelle on fait appel pour les systèmes solaires à concentration (voir plus loin) ;
  • un deuxième paramètre est l’irradiance horizontale diffuse qui quantifie  l’irradiance reçue par une surface horizontale à la surface de la terre par l’ensemble  du ciel à l’exclusion du disque solaire, donc depuis un angle solide de 2p stéradians (180°) ; comme indiqué en 1.2, des molécules et des particules de l’atmosphère re-diffuse une partie du rayonnement qu’elles reçoivent vers la surface de la terre ; ce paramètre est appelé Irradiance Horizontale Diffuse (Diffuse Horizontal Irradiance - DHI);
  • un troisième paramètre est l’irradiance horizontale globale qui quantifie l’irradiance reçue par une surface horizontale à la surface de la terre par l’ensemble  du ciel, y compris le disque solaire; il est appelé irradiance globale (Global Horizontal Irradiance - GHI)  ; GHI est égal à DHI + DNI cosZ,  où Z est l’angle zénithal, l’angle entre la droite reliant le point de la surface et le soleil et la droite verticale de ce lieu ; c’est ce paramètre que l’on utilise pour les capteurs plans. A noter qu’il quantifie uniquement l’irradiance reçue par le capteur si celui-ci est placé horizontalement ; si le capteur plan est différemment orienté, il faudra effectuer des corrections géométriques à appliquer sur GHI et DHI.

A partir du relevé de ces données aux divers lieux de la planète et sur une période minimum d'une année, on a pu mesurer l’intégrale dans le temps de ces irradiances appelée irradiation en chaque lieu et dresser des cartes d’irradiation dénommées respectivement, Irradiation Directe Normale, Irradiation Horizontale Diffuse et Irradiation Horizontale Globale. Ces données et ces cartes sont des documents précieux pour prévoir la quantité d’énergie disponible et apprécier l’intérêt et la rentabilité d’une installation. Un exemple de cartes de DNI et de GHI pour la France et pour le monde est donné dans les Figures 8 et 9.  On peut trouver un certain nombre de ces données et de ces cartes en accès libre ou payant sur des sites comme : http://solargis.com/products/maps-and-gis-data/free/overview/

 On constate à partir de ces cartes :

  1. des différences notables dans l’énergie disponible selon les lieux mais avec une amplitude relative de GHI qui reste finalement plus modérée que ce qu’on imagine spontanément (à titre d’exemple il n’y a qu’un facteur de l’ordre de deux entre les endroits les plus ensoleillés et les moins ensoleillés en Europe) ;
  2. sans surprise, un maximum d’irradiation au niveau des zones tropicales et en particulier dans les déserts continentaux de ces zones ;
  3. un avantage pour les fortes altitudes (à latitude égale).

Fig. 8 : Cartographies d’irradiation solaire (DNI) pour la France Fig. 8 : Cartographies d’irradiation solaire (GHI) pour la France

 

 

2. Les principes physiques de la conversion du rayonnement solaire en chaleur ou en électricité

La conversion du rayonnement solaire en sources d'énergie utile passe par des capteurs solaires dont la compréhension du fonctionnement exige de remonter aux interactions du rayonnement solaire (les photons) avec la matière.

2.1. L’interaction rayonnement-matière

Dans la gamme de longueurs d’onde considérée, les photons du rayonnement solaire sont susceptibles de transmettre leur énergie aux électrons périphériques des atomes de la matière dans lesquels ils pénètrent.  C’est l’effet dit photoélectrique.

Selon ce phénomène (Figure 10), si cette interaction se produit, le photon cède la totalité de son quantum d’énergie à l’électron impliqué. C’est la mise en évidence de cet effet qui a permis à Einstein de montrer la quantification de l’énergie électromagnétique. Cette dernière ne peut donc pas être considérée seulement comme un phénomène vibratoire : on a en fait une dualité Onde/Particule à la fois pour les électrons et pour les photons. Cette mise en évidence a bouleversé la physique et est à l’origine de la découverte de la mécanique quantique.

Fig. 10 : Le transfert d’énergie entre le photon et l’électron : l’effet photoélectrique Comprendre ces mécanismes fondamentaux est essentiel si on veut comprendre le fonctionnement de l’Energie Solaire et tout particulièrement l’Energie Photovoltaïque. 

Dans les solides, en raison de la proximité des atomes et en raison de leur caractère ondulatoire, les électrons périphériques des atomes occupent des niveaux d’énergie discrets et quantifiés très proches les uns des autres.  Ils ne dépendent plus seulement de l’atome dont ils sont issus, mais de l’ensemble des atomes du solide et de la position de ceux-ci les uns par rapport aux autres[5].

Cette multitude de niveaux énergétiques très proches les uns des autres sont ainsi créés dans de larges intervalles d’énergie, que l’on appelle des bandes électroniques alors que dans d’autres intervalles, il n’y a aucuns niveaux énergétiques disponibles.

On distingue différents types de matériaux selon la structure de ces bandes et selon la population d’électrons périphériques disponibles. Ceux dans lesquels, à très basse température, les électrons les plus énergétiques remplissent totalement une bande appelée Bande de valence, sont appelés Semi-conducteurs ou isolants selon les cas (Figure 11).

Il existe dans ces matériaux au dessus de la bande de valence une bande d’énergie dite interdite couvrant un segment d’énergie que les électrons ne pourront prendre et plus haut encore en énergie une bande d’énergie non occupée à basse température mais disponible et qui pourra être partiellement peuplée par des électrons selon les cas.  Cette bande est appelée la bande de conduction. La largeur énergétique de la bande interdite sera appelée Eg.

Dans ces matériaux, on ne pourra avoir de conduction électrique avec des électrons dits libres, et qui pourront se propager dans le solide, que s'ils franchissent la barrière énergétique constituée par la bande interdite de largeur Eg et passent dans la bande dite de conduction.

A signaler que la place qu’ils libèrent dans la bande de valence libérera aussi la possibilité d’un mouvement de charge électrique de même valeur que celle de l’électron mais de polarité inversée (de charge positive et non négative). C’est en fait cette absence localisée d’électron qui pourra se propager. On appelle cette charge positive mobile simplement un trou.

Un isolant est un semi-conducteur mais avec une énergie Eg très élevée de telle sorte qu’il très difficile à un électron de franchir cette barrière énergétique. La conduction électronique y sera donc extrêmement limitée.

Fig. 11: Schéma des bandes électroniques dans les différentes classes de matériaux (Isolants, Semi-conducteurs et conducteurs) La deuxième grande catégorie de matériaux est celle des conducteurs (les métaux). Dans ces derniers, il n’y a pas de bande interdite. En réalité Bande de Valence et de Conduction se chevauchent. Les électrons sont libres et mobiles y compris à basse température et en l’absence d’excitation : il suffit donc de très peu d’énergie pour les placer dans un état où ils seront aptes à se mouvoir. 

Si l'on s'attache à l’incidence de cette structure de bande électronique sur l’interaction Photon/Matière et en fait Photon/électrons, on observe que lorsque un photon d’énergie En va pénétrer dans un de ces solides, il va pouvoir grâce à l’effet photoélectrique céder son énergie à un électron d’énergie E1, à condition qu’il existe dans ce solide un niveau E2 = En,+ E1 disponible dans ce solide.

On peut en fonction de ce phénomène, distinguer trois cas.

  1. Le cas du semi-conducteur où l’énergie du photon est inférieure à Eg. Comme il n’y pas de niveau énergétique E2 = En,+ E1 disponible pour l’électron, ce photon ne sera pas absorbé par le solide. Il traversera la matière et ressortira sans céder la moindre part d’énergie. Le matériau sera donc transparent pour tous les photons d’énergie comprise entre 0 et Eg. Si Eg est compris entre 1,5 et 3eV (spectre visible) le matériau nous apparait coloré puisqu’il ne laisse passer qu’une partie du spectre. Si Eg est inférieur à 1,5 eV il nous apparait noir et si Si Eg est supérieur à 3eV (spectre visible) il nous apparait totalement transparent ou blanc.
  2. Le cas du semi-conducteur où l’énergie du photon est supérieure à Eg. Le photon va en toute probabilité céder son énergie à un électron dont l’énergie peuplera un niveau dans la bande de conduction. Cet électron sera libre de se déplacer et on pourra assister sous certaines conditions à un photo-courant électrique. Sera aussi ainsi créé un « trou » libre qui pourra aussi participer à la photoconduction. On parlera alors de Photo-génération ou de génération de paires Electron-Trou.
  3. Le cas du métal. Ici et quelque-soit le niveau énergétique le photon cédera systématiquement son énergie à un électron qui rejoindra un autre niveau énergétique mais dans la même bande d’énergie que celle où il était initialement. Il ne pourra rester dans un état excité et il retournera peupler la population initiale des électrons dans les niveaux inférieurs en cédant son excès d’énergie sous forme de chaleur par interaction avec les phonons (vibrations mécaniques du réseau atomique). Ceci se traduira par une élévation de température du matériau. In fine l’énergie de rayonnement solaire sera totalement convertie en chaleur.

Ces caractéristiques et ces phénomènes vont donc régir les capacités à tel ou tel matériau d’être un bon capteur thermique ou un bon capteur photovoltaïque.

Pour les capteurs thermiques, l’objectif sera de capter le maximum de photons dans tout le spectre et de se satisfaire du transfert naturel de leur énergie en chaleur sous forme de vibration du réseau. On recourra donc à des métaux avec quelques subtilités dans le traitement de leur surface (voir 2.2).

Il est important toutefois de noter que la conversion de l’énergie des photons en chaleur représente le cas les plus courants y compris dans le cas des semi-conducteurs ou des matériaux organiques. Il faut de nombreuses conditions (voir 2.3) pour qu’une partie de l’énergie soit finalement convertie en énergie électrique capable d’alimenter un circuit extérieur (cas du photovoltaïque), ou en énergie chimique (cas de la photosynthèse). 

La thermodynamique nous apprend que les systèmes tendent vers l’état de désordre maximum et donc vers l’entropie maximum, la chaleur qui représentant l’énergie d’entropie maximum.

2.2. Les principes physiques pour un conversion thermique efficace

La conversion du rayonnement en énergie thermique est « naturelle » et fréquente dans la plupart des matériaux. Il suffit de placer ceux-ci en face du soleil pour constater une élévation de la température.

Pour autant, obtenir un capteur solaire thermique efficace avec un rendement de conversion maximum (rapport entre l’énergie thermique récupérée à la sortie du capteur et  l’énergie du rayonnement initiale) ne va pas de soi. Un certain nombre de conditions doivent être réunies :

  • une captation efficace du rayonnement par le matériau absorbeur en évitant en particulier une forte réflexion en surface,
  • une minimisation des pertes thermiques dans le capteur, soit par réémission de rayonnement infrarouge, soit par perte par conduction,
  • un bon transfert thermique entre le matériau absorbeur et le fluide caloporteur, le fluide qui circule dans le capteur et qui permet  d’extraire la chaleur et de la transférer aux points d’utilisation.

Le choix du matériau absorbeur est particulièrement important. Son coefficient d’absorption doit être maximum sur l’ensemble du spectre et son coefficient de réflexion minimum, afin de capter le maximum de photons. De plus, tout matériau chauffé émet des photons. Compte tenu des températures concernées, ce rayonnement est émis dans le spectre infra-rouge. Cette émission intervient comme une perte et doit donc être minimisée.

La quantité d’énergie émise par rayonnement dépend, outre de la température du corps, d’une caractéristique intrinsèque du matériau, l’émissivité. On a donc intérêt à choisir un matériau à faible émissivité, dans les longueurs d’ondes concernées. Pour cela on doit rajouter en surface du métal une couche spécifique limitant optiquement par des effets de résonnance ou d’interférence le rayonnement infrarouge émis.  Ces matériaux bon absorbeurs dans le spectre visible et proche et faibles émetteurs dans le spectre infra-rouge sont appelés Matériaux « Sélectifs »[6].

Fig. 12 : Utilisation de l’effet de serre dans un capteur solaire pour minimiser les pertes par rayonnement. Pour minimiser le rayonnement infrarouge, on cherchera aussi le plus souvent à utiliser aussi « l’effet de Serre » (Figure 12). Il s’agit ici de rajouter, en ménageant une lame d’air ou de gaz, un matériau transparent pour le spectre du soleil mais absorbant pour le spectre infrarouge lointain, comme typiquement une plaque de verre.

Il convient alors de distinguer deux cas, les capteurs avec ou sans concentrateurs. En effet si on cherche à obtenir des températures élevées au delà de 200°C pour certaines applications, en particulier pour les centrales thermodynamiques, on devra utiliser des  concentrateurs solaires (dispositifs optiques visant à concentrer les rayons du soleil). Dans ce dernier cas, on devra adapter le matériau sélectif à la température visée et donc aux longueurs d’onde du rayonnement infrarouge considéré.

Fig. 13 : Evolution du rendement d’une centrale thermodynamique en fonction de la température de fonctionnement et du facteur de concentration de 50 à 2000 (notés C 50 à C 2000) Dans le cas d’une centrale thermodynamique dans laquelle la chaleur sera convertie en travail mécanique et in fine en électricité, la variation du rendement énergétique global avec la température de fonctionnement présentera un maximum (Figure 13). En effet si le rendement de Carnot de la centrale augmente linéairement avec la température, les pertes par rayonnement sont proportionnelles au produit de l’émissivité du matériau absorbeur et la température à la puissance quatre. Les pertes par rayonnement prennent largement le pas aux fortes températures.    

2.3. La conversion photovoltaïque

La conversion photovoltaïque nécessite l’utilisation de matériaux semi-conducteurs[7]. Dans ces matériaux, à condition que l’énergie des photons soit suffisante, l’effet photoélectrique aura pour effet la photo-génération ou génération de paires Electron-Trou qui deviendront mobiles et pourront sous certaines conditions transmettre une partie de l’énergie électrique ainsi acquise à un circuit extérieur.

La condition pour cette génération est que l’énergie du photon En soit supérieure  à Eg , la largeur de la bande interdite du matériau. Il faut bien comprendre ici que la création d’électrons libres ne suffit pas en lui-même à produire un photo-courant et l’émergence d’un générateur électrique. Pour que les électrons puissent circuler dans le circuit extérieur et céder l’énergie ainsi acquise, il faut aussi créer une asymétrie d’énergie potentielle pour que les électrons libres (et les trous) aillent majoritairement dans une direction plutôt qu’une autre et ne se déplacent pas de façon totalement aléatoire. Il s’agit ici de créer une force motrice pour ces charges.

Pour cela on exploite la possibilité d’accoler deux matériaux semi-conducteurs pour lesquels le profil des énergies disponibles pour les électrons n’est pas identique de part et d’autre d’une frontière. Ce type d’association est appelé une « jonction » (au sens électronique du terme).

Fig. 14 : Création de niveaux énergétiques proches de la bande de conduction (matériau de type n) ou de la bande de valence (matériau de type p) et déplacement  du niveau d’équilibre de population des électrons dit niveau de Fermi (EF)

Fig. 14 : Création de niveaux énergétiques proches de la bande de conduction (matériau de type n) ou de la bande de valence (matériau de type p) et déplacement  du niveau d’équilibre de population des électrons dit niveau de Fermi (EF)

Le moyen le plus simple et le plus courant pour créer une jonction est d’ajouter certaines impuretés dites dopantes dans ces matériaux (Figure 14). Ces impuretés, en créant des niveaux énergétiques dans la Bande Interdite à proximité soit de la Bande valence soit de la Bande de conduction, déplacent le profil énergétique de la population des électrons à l’équilibre. Si les impuretés dites ajoutées créent des niveaux énergétiques proches de la bande de conduction dits « donneurs », on parle de matériau de type n. Si les impuretés créent des niveaux énergétiques proches de la Bande de Valence dits « accepteurs », on parle de matériau de type p.

Il suffira donc d’ajouter ces deux types d'impuretés de façon adéquate de part et d’autre de la jonction, en se débrouillant pour que l’on ait une majorité d’un type d’impuretés d’un côté et une majorité de l’autre type de l’autre côté.  On parle alors de jonction p/n ou de jonction n/p. 

Lorsqu’on ajoute des électrodes de part et d’autre de ce dispositif, on créée une diode, dispositif utilisé en électronique comme redresseur de courant car il laisse passer le courant si on la polarise électriquement dans un sens et le bloque si on la polarise dans l’autre.

Fig. 15 : Schéma de principe d’un capteur photovoltaïque avec la jonction n/p, la photo-génération de paires Electron-Trou Un capteur photovoltaïque est donc, par construction, une diode dans laquelle on préservera la possibilité à un maximum de photons de pénétrer (Figure 15).

Soit le profil d’énergie dans un capteur photovoltaïque (Figure 16). Lorsqu’un photon va générer une paire Electron-Trou, par exemple dans le matériau de type p (à droite sur la figure), l’électron ayant pénétré dans la bande de conduction par l’effet photoélectrique et étant devenu mobile, va être attiré vers la jonction d’abord par diffusion puis par accélération électrostatique dans la zone de la jonction elle-même.  Il pourra ensuite alimenter le circuit extérieur, car un trou sera à même de circuler dans l’autre sens  afin de maintenir l’équilibre entre les deux charges et d’éviter la formation d’une zone où l’on aurait une accumulation de charge et qui viendrait ainsi freiner le passage du courant.

Fig. 16 : Profil d’énergie dans un capteur photovoltaïque de type n/p et circulation des charges photo-générées. En réalité, le courant réel sera aussi piloté par la résistance du circuit extérieur. Plus celle-ci sera élevée et s’opposera au passage du courant, plus on assistera à la création d’un profil de potentiel électrostatique à l’intérieur de la diode s’opposant à la circulation du courant. Dans le cas extrême du circuit Ouvert et donc sans passage de courant, on constatera une différence de potentiel aux bornes du dispositif lié au potentiel électrostatique créé par la jonction et lié essentiellement à la largeur de la bande interdite.

Plus la résistance sera faible, plus le courant sera élevé mais restera toujours limité par le nombre de paires Electron-Trou générés et donc par le flux incidents de photons.

In fine, on obtient les caractéristiques Courant-Tension (Figure 17) avec une tension en circuit ouvert Voc, caractéristique de la jonction et des matériaux utilisés et un courant de Court-circuit Isc proportionnel à la densité de puissance lumineuse.

Fig. 17 : Caractéristiques typiques Courant-Tension d’un capteur Photovoltaïque  en fonction de l’irradiance.  Dans la pratique on s'attachera souvent, avec des dispositifs électroniques intermédiaires adéquats, à rechercher  dans cette courbe, le point de puissance maximum, avec maximisation du produit  Courant-Tension : VI.

2.4. Qu’est-ce qui limite le rendement d’un capteur photovoltaïque ?

Nous venons de décrire jusqu’ici les principes physiques régissant le fonctionnement d’un capteur photovoltaïque.

Nous allons, à partir de là analyser ce qui limite leur rendement de conversion, d’abord dans un capteur idéal, dans lequel tous les photons arrivant sur la capteur vont se traduire par un électron d’énergie Eg qui circule sans encombre jusqu’au circuit extérieur, puis dans un capteur réel dans lequel la circulation des photons et des électrons ne pourra se faire sans encombres.

Ces limites au rendement sont particulièrement importantes à comprendre quant aux choix des matériaux et des technologies utilisées.

2.4.1. Dans un capteur idéal 

Fig. 18 : Les trois secteurs énergétiques du spectre solaire relatifs au fonctionnement d’un capteur photovoltaïque avec une seule jonction. En vert la partie capable d’être convertie. En jaune celle correspondant à l’excès d’énergie des électrons par rapport au bas de la bande de conduction et en rouge celle correspondant aux électrons de trop faible énergie par rapport à la bande interdite. Comme déjà indiqué, seuls les photons d’une énergie supérieure à Eg vont pouvoir créer une paire Electron-Trou. Donc tous les photons d’énergie inférieure seront inutilisables. D’un autre côté les électrons photo-générés d’énergie E supérieure à Eg, s’ils vont bien pouvoir devenir des charges mobiles, ne vont pas rester dans leur état d’énergie initiale, mais rapidement rejoindre un niveau énergétique proche du minimum de la bande de conduction. Ils  vont donc céder leur part de l’énergie supérieure à Eg , soit (E-Eg) aux phonons (vibrations du réseau) et donc sous forme de chaleur.  Résultat : deux secteurs d’énergie sont ainsi inutilisés (Figure 18).

Le choix de la valeur de Eg, et donc d’un semi-conducteur, pour obtenir le rendement maximum,  fait donc l’objet d’un compromis. Si Eg est trop élevé, trop peu d’électrons sont photo-générés et si Eg est trop faible les électrons photo-générés transfèrent trop d’énergie uniquement sous forme de chaleur. Si Eg est trop faible, la valeur de Voc sera trop faible. Si Eg est trop élevé, c’est le courant Isc qui sera trop faible.

Fig. 19 : Rendement théorique maximum pour une cellule photovoltaïque en fonction de la bande interdite Les modèles montrent (Figure 19) que, compte tenu du spectre solaire, la largeur optimum de la bande interdite est de l’ordre de 1,25 eV et que le rendement maximum possible est de l’ordre de 30% (on nomme cette limite la limite de Shockley-Queisser).

Fig. 20 : Rendement théorique maximum en fonction du nombre de jonction (en trait continu) Cette difficulté peut être contournée en empilant plusieurs matériaux de bandes interdites étagées et différentes qui, un à un, viendront capter une partie du spectre de façon optimale. Il suffit pour cela de les superposer dans le bon ordre et de veiller à ce que la courant circule de l’un à l’autre. On parle alors de multi-jonctions. En choisissant de façon appropriée et optimale les valeurs des Bandes interdites de chaque matériau on pourra obtenir un rendement théorique très élevé  et qui augmentera avec le nombre de matériaux (Figure 20).  

On constate sur cette figure que la captation de l’ensemble du spectre est grandement améliorée par rapport au cas d’une cellule à une seule jonction (Figures 18 et 19).

Fig. 21: Secteurs énergétiques susceptibles d’être captés dans la spectre solaire par une cellule à triple jonction et avec des bandes interdites, du bas vers le haut,  respectivement de 0,66-1,4 et 1,9 eV. Un exemple peut être donné pour une triple jonction (Figure 21). A noter que le rendement maximum obtenu pour une cellule multi-jonction est de l’ordre de 44%. Elle comporte quatre jonctions.

2.4.2. Dans un capteur réel

Il est très difficile dans la pratique d’obtenir ce rendement idéal. D’autres pertes vont intervenir qui peuvent être classées comme suit:

  • des pertes optiques soit par réflexion, soit par ombrage ; en effet certains photons seront réfléchis par la surface et d’autres seront absorbés par les électrodes qui collectent le courant sur la face d’entrée (effet d’ombrage) ;
  • des pertes par « Recombinaison » car  la moindre rupture de l’ordre des atomes dans le cristal (présence de défauts tels que les dislocations et les joints de grain, interface avec d’autres matériaux ou encore présence d’impuretés) est susceptible de faire retomber l’électron photo-généré de la bande de conduction à la bande de valence avant que celui-ci ait pu parvenir jusqu’à la jonction,. On parle alors  de recombinaison de la paire Electron-Trou ; l’Energie potentielle ainsi acquise se dissipe en chaleur ; on comprend ici toute la difficulté de la technologie photovoltaïque consistant à avoir un matériau de très haute qualité (sans équivalent dans tout autre cas) mais à très bas coût ;
  • des pertes ohmiques liées aux résistances des différents éléments en série avec le générateur (résistances de contact, résistance interne du semi-conducteur, résistance des électrodes métalliques)

Pour obtenir le meilleur rendement possible, une fois le matériau choisi, le jeu va donc consister à minimiser toutes ces pertes. Il faudra souvent des compromis. A titre d’exemple, on devra dessiner des électrodes en surface très fines et très espacées pour minimiser l’ombrage, mais sans trop augmenter leur résistance et ainsi les pertes ohmiques.

En résumé : les différents modes de conversion utilisés

L’utilisation de l’Energie Solaire consiste donc à mettre en œuvre ces différentes sortes de conversion au mieux pour satisfaire nos besoins en énergie thermique ou électrique et éventuellement pour assurer une conversion chimique directe mais cette possibilité est très peu utilisée en dehors de la création de la biomasse par photosynthèse (Lire.  Photosynthèse et biomasse).

Outre les deux modes de conversion directe (thermique et photovoltaïque), on peut faire appel à une cascade de conversion à partir de la chaleur : conversion d’abord en travail (Energie mécanique) en utilisant des cycles thermodynamiques, on parle alors de conversion thermodynamique (Lire : La thermodynamique : les lois), puis conversion de ce travail en Energie électrique en utilisant des générateurs.

Il existe donc en réalité deux voies de conversion du rayonnement solaire en électricité:  la voie photovoltaïque (directe) et la voie « thermodynamique » (indirecte) consistant à convertir d’abord l’énergie lumineuse en chaleur, puis à convertir cette chaleur en travail et finalement en électricité. Cette conversion de chaleur en électricité est celle utilisée dans toutes les centrales thermiques, y compris dans les centrales nucléaires  (Lire : Les réacteurs nucléaires).

S'agissant des principes physiques régissant cette conversion de chaleur en électricité,  il est important de signaler que l’obtention d’un rendement significatif et intéressant impose de concentrer les rayons solaires afin d’obtenir des températures élevées de la source chaude. Le rendement (dit de Carnot) est en effet une fonction croissante avec la différence de température entre la source chaude et la source froide (Lire : Une brève histoire de l'énergie).

 


[1] Malherbe Jean-Marie (2010). Introduction à la physique du Soleil, Cours, Hal Archives-ouvertes.fr
[2] Forgan Bruce W. (2011). Solar Radiation Measurement , WMO RAV Metrology Workshop, Melbourne, November .
[3] Forgan Bruce W. (2011). Solar Radiation Measurement , WMO RAV Metrology Workshop, Melbourne, November .
[4] Blanc P. and others (2014). Direct normal irradiance related definitions and applications: The circumsolar issue. Solar Energy, 110 pp. 561–577
[5] Kittel Charles (1998).  Physique de l’Etat Solide, Dunod.
[6] Spitz J. (1979). Matériaux sélectifs pour la conversion photothermique de l’énergie solaire. Revue de Physique appliquée, tome 14, Janvier.
[7] Sze Simon M. (2006).  Semiconductor devices, physics and technology. London : Wiley.