Lumière et systèmes photovoltaïques : comment fonctionnent-ils ?

Le rayonnement solaire permet la vie sur Terre, en fournissant l’énergie nécessaire à son maintien et en régulant la plupart des phénomènes météorologiques et le climat. La nécessité de répondre à une demande énergétique de plus en plus oppressante, accompagnée d’une prise de conscience progressive des enjeux environnementaux, ont conduit l’homme à vouloir exploiter cette grande ressource donnée par l’étoile, le soleil, pour produire de l’électricité. Les systèmes photovoltaïques sont essentiellement constitués d’une série de panneaux portant à leur surface de nombreuses cellules photovoltaïques. Le matériau le plus utilisé pour la réalisation de ces dispositifs est le silicium. L’environnement actuel ne fait qu’exploiter les résultats de recherche énergétique réalisés par les scientifiques. Les systèmes photovoltaïques et les panneaux ont pu donné naissance au chauffage, qui est un service énergétique très prisé. 

Le silicium dans les systèmes et dans les cellules photovoltaïques

Le silicium est un semi-conducteur, c’est-à-dire que les électrons de valence (qui se trouvent sur l’orbite la plus éloignée et qui sont les seuls à former des liaisons atomiques) ne sont pas excessivement mobiles, comme c’est le cas dans les matériaux conducteurs, ni bloqués, comme c’est le cas dans les matériaux isolants, dans la “bande de valence”. Dans l’atome de silicium, la quantité d’énergie nécessaire pour accélérer les électrons dans la bande de valence est très faible, de sorte que les particules en question ne peuvent passer dans la bande de conduction qu’en cas d’absorption d’énergie de l’extérieur, comme celle fournie par le rayonnement solaire qui, par l’effet photoélectrique, est capable de transformer un matériau semi-conducteur tel que le silicium, en un matériau conducteur. Les électrons, une fois dépouillés de leur bande de valence, sont acheminés dans des grilles métalliques spéciales placées à la surface du panneau, générant un courant électrique continu qui doit être alterné dans l’onduleur spécial qui a pour fonction de rendre le courant utilisable à la fréquence de l’utilisateur (50 Hz).

La lumière est-elle une onde ou un particule ?

Avant de développer le principe selon lequel il est possible de produire du courant électrique à partir d’ondes lumineuses, il n’est pas possible, à ce stade, d’éviter les questions : “Qu’est-ce que la lumière”, “De quoi est-elle faite”. L’expérience quotidienne suggère que la lumière se propage en ligne droite ; pensez, par exemple, à un rayon de lumière pénétrant dans une pièce sombre par une fente dans le mur. De l’observation, on constate en effet que le rayon est rectiligne, alors que si l’on prenait un miroir pour dévier sa direction, on remarquerait dans ce cas aussi une trajectoire rectiligne, puisque l’angle d’incidence du rayon lumineux sur la surface est égal à celui de la réflexion. Depuis le milieu du XVIIe siècle, les théories physiques des phénomènes lumineux étaient différentes. Il a donc fallu deux siècles pour prouver la nature réelle de la lumière, mettant ainsi fin à de nombreuses controverses. L’installation des systèmes photovoltaïques est un des modules issus des recherches ultérieures. Il s’agit d’un projet énergétique jouant au service du bâtiment. Bien entendu, ce type de production énergétique apporte des effets et des impacts sur l’environnement. 

Les théories de la lumière

Le débat a été centré sur deux modèles postulés dans les mêmes années qui, décrivant parfaitement certains phénomènes propres à la lumière même si de manière différente, ne semblaient pas trouver de point de rencontre, donc de tournant. Le modèle corpusculaire décrit la lumière comme un flux de particules microscopiques (appelées corpuscules), émises sous forme continue par des sources lumineuses appropriées. Ils étaient rectilignes et capables de traverser certaines surfaces (les transparentes) tout en “rebondissant” sur des matériaux opaques à la lumière, de manière à les empêcher de passer. Le modèle d’onde, en revanche, décrit la lumière comme une onde dont la propagation est similaire aux ondes élastiques (comme celles qui propagent un tremblement de terre à partir de son point d’origine). La lumière est donc comprise comme un transfert d’énergie et non de matière (corpuscules), à tel point qu’elle est définie comme “énergie rayonnante”. A partir de cette théorie, plusieurs recherches ont été menés pour découvrir l’installation des systèmes photovoltaïques au service de l’ énergie. 

Qu’en est-il des théories de Newton et de Huygens?

Parmi les partisans de la théorie corpusculaire, on trouve Isaac Newton (1642-1727), selon lequel les phénomènes lumineux sont réduits à un simple mouvement de particules ayant les propriétés d’un point matériel quelconque (pensez au mouvement des billes sur le tapis de billard) qui, en frappant la rétine de l’œil, stimulent le sens de la vue. Le modèle d’onde a été soutenu par Christiaan Huygens (1629-1695), un scientifique néerlandais contemporain de Newton, qui a décrit la lumière non plus comme un flux de particules en interaction par le biais de collisions continues, mais comme des ondes circulaires. Pour comprendre le phénomène, pensez, par exemple, à une pierre qui tombe dans un puits. Les ondes circulaires qui montent rythmiquement à la surface de l’eau, se propageant dans une direction radiale, s’éloignent de la source. Issu de ces deux recherches, l’installation d’un panneau thermique et l’installation des systèmes photovoltaïques sont des résultats ultérieurs. 

Comprendre le tournant de la théorie quantique

Les différentes théories décrites étaient complémentaires à bien des égards. Si un modèle a pu décrire un phénomène, l’autre a exploré d’autres aspects. Max Planck (1858-1947) a avancé une hypothèse révolutionnaire, selon laquelle l’énergie radiante, introduite auparavant, n’était pas émise sous forme continue, mais pour de très petites quantités physiques (discontinues), appelées quanta. Pour comprendre la différence entre émission continue et émission discontinue, on peut penser à un détail très courant dans la vie quotidienne: le robinet ouvert d’un évier fournit de l’eau en continu tandis que les bouteilles fournissent de l’eau en quantités discrètes égales au volume de la bouteille elle-même. Le concept de quantification peut être décrit par un autre exemple tout aussi courant. Une balle peut rouler vers le bas ou sur un plan incliné ou rebondir sur une échelle. Dans le premier cas, la sphère a un mouvement continu, tandis que dans le second, pas à pas, elle a un mouvement discontinu, c’est-à-dire qu’elle se produit par des sauts dont chaque pas représente un quantum d’énergie.

L’effet photoélectrique: produire du courant électrique à partir de la lumière

À l’époque de Planck, on connaissait déjà le phénomène selon lequel en soumettant une feuille de métal à un certain rayonnement lumineux d’une certaine fréquence, elle se chargeait électriquement d’une charge positive, puis émettait des électrons, c’est-à-dire un courant électrique (convenablement détectable par des instruments tels que le Galvanomètre, nom dérivé de celui de Luigi Galvani). Les électrons sont retenus à l’intérieur du métal par une certaine énergie, donc pour les expulser il faut investir la tôle par un rayonnement lumineux ayant une énergie E = hν, égale à l’énergie qui retient les particules à l’intérieur du matériau. Pour mieux comprendre le phénomène, imaginez qu’il faut lancer un ballon par-dessus une clôture : si l’énergie imprimée au corps est trop faible, l’objet frappera l’obstacle et reviendra, mais si la cible est frappée avec la force nécessaire, alors seulement, le ballon franchira la barrière. Dans l’effet photoélectrique, l’énergie nécessaire E est proportionnelle à la fréquence du rayonnement lumineux incident sur la feuille ; si la fréquence critique de rayonnement (typique du matériau affecté par la lumière) est dépassée, la condition suffisante est atteinte pour que les électrons puissent être “secoués” de la feuille et ainsi produire du courant électrique (à grande échelle).

Recherches d’Einstein sur les photons

Ces observations ont conduit Einstein à confirmer l’hypothèse selon laquelle la lumière était une onde électromagnétique (décrite par les équations de Maxwell) mais avait également une nature corpusculaire. En effet, seules les particules chargées d’énergie seraient capables non seulement de déplacer d’autres particules (dans ce cas des électrons), mais aussi de leur donner une accélération plus le rayonnement est intense. Ces particules de lumière ont reçu le nom de photons et la découverte de l’effet photoélectrique (principe des systèmes photovoltaïques courants) a valu à Einstein le prix Nobel en 1921. L’installation des systèmes photovoltaïques, des panneaux (thermique) et des autres services énergétiques s’est développé de manière continue. Pour la simplicité des modèles actuels, vous pouvez recourir aux aides pour diminuer le coût de votre chauffage par exemple. Le coût des services énergétique peut dépendre de votre environnement. Le réseau énergétique pourra vous permettre de bénéficier de plusieurs aides. La complexité de l’installation des systèmes photovoltaïques et des panneaux peut varier en fonction de votre projet énergétique.