Cet article de blog examine si les cellules solaires peuvent constituer une solution alternative aux problèmes de surconsommation des ressources et d'épuisement énergétique.
Imaginez une Terre sans soleil. Elle deviendrait une planète stérile où aucune vie ne serait possible. Depuis sa naissance, le soleil n'a cessé de lui envoyer d'immenses quantités d'énergie lumineuse. Presque toute vie sur Terre dépend de l'énergie stockée par la photosynthèse des plantes. Même le pétrole, la source d'énergie la plus utilisée par l'humanité, est issu de la transformation d'organismes disparus depuis des millénaires, enfouis profondément dans la Terre. La civilisation moderne consomme et épuise excessivement les ressources que constitue l'énergie solaire. Si toutes les sources d'énergie venaient à s'épuiser, où l'humanité trouverait-elle de l'énergie ? Ne pourrions-nous pas utiliser directement l'énergie lumineuse du soleil, dès maintenant ? La réponse réside dans les cellules solaires.
Les cellules solaires sont des dispositifs qui convertissent l'énergie lumineuse du soleil en électricité. Parmi elles, les cellules solaires au silicium sont actuellement les plus utilisées en raison de leur rendement élevé, de leur coût relativement faible et de leur simplicité de fabrication. La structure d'une cellule solaire au silicium est assez simple : elle se compose uniquement de deux types de semi-conducteurs de silicium assemblés. Comment un semi-conducteur de silicium convertit-il la lumière en électricité ? Le secret réside dans les électrons présents au sein du silicium. À l'état stable, les électrons sont liés au noyau atomique et ne peuvent pas se déplacer librement. Cependant, lorsqu'un électron absorbe de l'énergie et est excité, il acquiert la capacité de se déplacer librement. Ces électrons énergisés sont appelés électrons libres. La lumière transporte de l'énergie. Lorsque la lumière entre en collision avec les électrons d'un matériau, ces derniers absorbent cette énergie et deviennent des électrons libres. Ces électrons libres circulent ensuite dans un circuit électrique, fournissant l'énergie là où elle est nécessaire. Ainsi, une cellule solaire peut être considérée comme une sorte de pompe. La lumière du soleil agit comme une pompe, soulevant les électrons pour créer un courant qui produit un travail.
Cela soulève une question : puisque les électrons sont présents dans tous les atomes, n’importe quel matériau peut-il produire de l’électricité simplement en connectant des électrodes et en l’exposant à la lumière du soleil ? Malheureusement, non. Le problème réside dans le fait que la différence d’énergie entre les électrons stables et les électrons excités varie selon le matériau, ce qui signifie que l’énergie lumineuse qu’ils peuvent absorber diffère. En d’autres termes, le niveau d’excitation varie selon le matériau. La lumière peut être classée en différentes catégories selon son énergie. Parmi celles-ci, la lumière infrarouge et la lumière visible constituent une part importante du rayonnement solaire. Par conséquent, les cellules solaires doivent absorber efficacement la lumière infrarouge et la lumière visible. Cependant, le niveau d’excitation dans les isolants est trop élevé, empêchant le soleil d’exciter pleinement les électrons. Inversement, le niveau d’excitation dans les conducteurs est trop faible, ce qui les amène à absorber une lumière de plus faible énergie au lieu de la lumière infrarouge et visible, les rendant ainsi largement inefficaces. Le silicium, en revanche, étant un semi-conducteur, a un besoin en énergie pour l’excitation des électrons qui se situe entre celui des conducteurs et celui des isolants. Cela lui permet d’absorber efficacement à la fois la lumière infrarouge et la lumière visible. On peut considérer le silicium comme une pompe dont le niveau d’excitation est optimal, parfaitement adapté à l’énergie solaire.
Alors, est-il possible de fabriquer des cellules solaires uniquement à partir de silicium ? Malheureusement, le simple fait de pomper des électrons vers le haut ne suffit pas. De même que l’eau pompée est inutile si elle retombe avant d’atteindre son point d’utilisation, les électrons qui absorbent de l’énergie et sont excités sont inutiles s’ils ne peuvent pas circuler dans le circuit. Par conséquent, un chemin approprié est nécessaire pour transporter les électrons pompés. C’est précisément pourquoi deux types de semi-conducteurs en silicium – de type p et de type n – sont associés.
Les atomes de silicium possèdent quatre électrons participant à la liaison. Deux atomes contribuent chacun un électron pour former une liaison, et ainsi un atome forme quatre liaisons pour créer un cristal. Cependant, si certains atomes de silicium sont remplacés par des atomes comme le phosphore (P), qui possèdent cinq électrons participant à la liaison, l'électron restant devient un électron libre, capable de se déplacer librement. Un semi-conducteur possédant de nombreux électrons libres est appelé semi-conducteur de type n. En revanche, si certains atomes de silicium sont remplacés par des atomes comme le bore (B), qui contribuent trois électrons à la liaison, un trou se crée à l'emplacement d'un électron manquant. Ce trou peut se déplacer comme une particule ; l'image d'un puzzle coulissant permet de mieux comprendre. Un puzzle coulissant possède une encoche vide. Lorsqu'une pièce du puzzle s'y insère, l'espace qu'elle a laissé se vide à nouveau. De même, lorsqu'un électron adjacent à un trou se déplace pour le combler, le trou semble se déplacer dans l'espace occupé par l'électron. Un semi-conducteur possédant de nombreux trous de ce type est appelé semi-conducteur de type p.
Les semi-conducteurs de type n et de type p sont électriquement neutres individuellement. Cependant, lorsqu'ils sont reliés par une jonction, les électrons libres du semi-conducteur de type n comblent les lacunes du semi-conducteur de type p. Le semi-conducteur de type n porte alors une charge positive (+), tandis que le semi-conducteur de type p porte une charge négative (-). À cette jonction, lorsque les électrons absorbent de la lumière et sont excités, les électrons libres et les lacunes se séparent. Les électrons libres, chargés négativement, migrent vers le semi-conducteur de type n, tandis que les lacunes, chargées positivement, migrent vers le semi-conducteur de type p. Les électrons qui traversent l'électrode du semi-conducteur de type n rejoignent le circuit externe pour y effectuer un travail, puis retournent par l'électrode positive du semi-conducteur de type p pour se recombiner avec les lacunes.
Le soleil fournira sans relâche une énergie lumineuse abondante jusqu'à la fin des temps. Les cellules solaires, qui exploitent cette énergie pour produire de l'électricité, constituent une source d'énergie véritablement idéale. Leur fabrication est plus simple qu'on ne le pense. Il suffit de silicium, qui agit comme une pompe pour attirer les électrons, et d'une jonction pn, qui sert de canal pour les faire circuler dans le circuit. Toutes les cellules solaires, et pas seulement celles en silicium, requièrent simplement une pompe et un canal adaptés. Avec quelques notions de génie des matériaux, chacun pourrait créer une cellule solaire innovante et contribuer ainsi au salut de l'humanité.
