Construire une cellule solaire basique : Guide étape par étape de la technologie photovoltaïque

Comment construire une cellule solaire simple ? (Étape par étape) | Principe de base de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque

Introduction à la cellule solaire ou cellules photovoltaïques

Une cellule solaire (ou cellule photovoltaïque) est un dispositif qui produit un courant électrique soit par action chimique, soit en convertissant la lumière en courant électrique lorsqu'elle est exposée à la lumière du soleil. Dans cet article, nous nous concentrerons uniquement sur les cellules solaires.

A lire aussi : Types de cellules solaires et panneaux photovoltaïques

Une cellule solaire est aussi appelée cellule photovoltaïque qui produit un courant électrique lorsque sa surface est exposée à la lumière du soleil. Dans cet article, nous ferons référence à la lumière du soleil comme rayonnement électromagnétique (rayonnement EM).

Dans les cellules solaires, la quantité d'énergie électrique générée dépend de l'intensité du rayonnement EM qui atteint la surface de la cellule. La cellule solaire convertit le rayonnement EM en courant continu. On peut donc dire qu'une cellule solaire est un dispositif à jonction semi-conductrice qui convertit le rayonnement électromagnétique nous parvenant du soleil en énergie électrique. Comme indiqué, le courant généré est continu.

Principe de base de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque / solaire

Le principe de fonctionnement d'une cellule solaire est similaire à la conduction dans un semi-conducteur comme le silicium. Comme on le voit sur l'image, la surface sombre est la partie exposée à la lumière du soleil. Lorsque le rayonnement EM frappe la surface de la cellule, il excite les électrons et les fait sauter d'un niveau d'énergie (orbite) à l'autre, laissant des trous derrière eux.

Ces trous servent de porteurs de charge positifs tandis que les électrons servent de porteurs de charge négatifs. Ne vous trompez pas, les électrons ou les trous ne constituent pas les charges électriques ; ils ne font que les transporter. Ce faisant, le rayonnement EM est converti en énergie électrique. Les cellules solaires sont fabriquées principalement à partir de semi-conducteurs comme le silicium et le sélénium, les plus largement utilisés.

Pour mieux comprendre, voyons les différents types de matériaux semi-conducteurs, largement utilisés dans la production de cellules solaires.

Types de semi-conducteurs

Il existe deux types de semi-conducteurs : intrinsèques et extrinsèques.

Semi-conducteurs intrinsèques :

Ce sont des semi-conducteurs purs sous leur forme naturelle. Aucune impureté n'est ajoutée pour améliorer leur conductivité. Les semi-conducteurs de ce type à zéro degré Celsius ont très peu ou pas de trous et d'électrons libres pour la conduction.

Semi-conducteurs extrinsèques :

Ces types de semi-conducteurs ne sont pas purs car ils sont dopés (des substances servant d'impuretés sont ajoutées pour améliorer leur conductivité). Lorsqu'un semi-conducteur est dopé, on trouve les matériaux suivants :

• Semi-conducteurs de type P

  Ce type de semi-conducteur se forme lorsqu'un silicium, sélénium ou germanium est dopé avec un élément trivalent (à trois électrons de valence) comme le bore. Les trous (porteurs de charge positifs) sont les porteurs majoritaires dans ce type de semi-conducteur.

• Semi-conducteurs de type N

  Les électrons sont les porteurs de charge majoritaires dans ce type de semi-conducteur. Ils portent des charges négatives. Ils se forment lorsque le silicium ou tout autre semi-conducteur est dopé avec un élément pentavalent (à cinq électrons de valence dans la couche externe).

• Semi-conducteurs de type PN

  Lorsque les semi-conducteurs de type P et N sont joints ensemble par fusion, c'est-à-dire en soumettant les surfaces en contact à une haute température (sans les fondre complètement pour qu'ils forment une seule entité), une frontière ou une jonction se forme entre eux, de l'ordre de 10^-3 mm. Cette jonction est appelée jonction PN. La forte concentration de trous d'un côté de la jonction et la forte concentration d'électrons de l'autre côté amènent les deux porteurs de charge à diffuser respectivement de l'autre côté de la jonction.

Comment construire une cellule photovoltaïque / solaire simple ?

Le silicium et le sélénium sont les semi-conducteurs les plus largement utilisés dans la production de cellules solaires. L'arséniure de gallium, l'arséniure d'indium, le sulfure de cadmium, etc. sont aussi utilisés, mais le silicium et le sélénium sont les plus courants.

Sachant que les matériaux semi-conducteurs comme le silicium et le sélénium peuvent être assez coûteux, nous allons parler de la construction d'une cellule solaire utilisant des matériaux comme le silicium, mais aussi comment en construire une avec des matériaux bon marché disponibles autour de nous.

Notez que l'utilisation de matériaux bon marché ne donnera pas une puissance de sortie équivalente à celle obtenue avec du silicium ou du sélénium, et deuxièmement, plus la surface du matériau exposée au rayonnement EM est grande, plus l'énergie produite sera importante.

Construction d'une cellule solaire utilisant un semi-conducteur en silicium

Comme dit précédemment, la surface est un matériau de type P. Le matériau de type P doit être mince pour que l'énergie lumineuse (rayonnement EM) puisse pénétrer la jonction et atteindre le matériau de type N, permettant la diffusion des électrons et des trous.

L'anneau nickelé autour du matériau de type P sert de borne de sortie positive, tandis que le placage au bas du matériau de type N sert de borne de sortie négative.

Comment construire une cellule solaire simple ? (Étape par étape)

Maintenant que vous savez comment les cellules solaires sont produites avec du silicium, voyons comment nous pouvons produire une cellule photovoltaïque en utilisant différents matériaux. Au lieu d'utiliser de l'oxyde cuprique, nous utiliserons différents matériaux. Les matériaux nécessaires sont :

• Plaques de verre (couvre-lames de microscope par exemple)
• Eau déionisée
• Multimètre
• Ruban adhésif transparent
• Plat peu profond
• Plaque chauffante électrique (1100 W si possible)
• Solution de dioxyde de titane
• Carbone (crayon graphite ou lubrifiant graphite)
• Solution d'iodure
• Pinces de fixation
• Pinces crocodile

Dans notre travail précédent, le matériau de type P faisait face au soleil et était plus conducteur que le matériau de type N. Le verre est un semi-conducteur avec une conductivité partielle. Pour qu'une des plaques de verre agisse comme matériau de type P et l'autre comme type N, il faut les traiter avec des produits chimiques afin qu'à la fin, l'une soit plus conductrice que l'autre. Les étapes sont les suivantes :

1. Nettoyez soigneusement les surfaces des deux plaques de verre avec de l'éthanol. Ne touchez pas la surface des plaques après le nettoyage.
2. Avec le multimètre, testez la conductivité des surfaces des plaques et repérez la surface la plus conductrice de chacune. Placez les plaques côte à côte avec la surface conductrice de l'une vers le bas et l'autre vers le haut.
3. Appliquez un ruban adhésif transparent pour maintenir les plaques ensemble. Le ruban doit être appliqué le long de l'un des longs côtés. Il doit chevaucher de 1 mm environ les bords. Placez aussi un ruban sur l'extérieur de la plaque face vers le haut sur 4-5 mm.
4. Appliquez uniformément des gouttes de dioxyde de titane sur la surface des plaques et étalez la solution uniformément. Laissez la solution recouvrir la surface conductrice face vers le bas.
5. Une fois l'application de dioxyde de titane terminée, retirez les rubans qui maintiennent les plaques ensemble.
6. Placez la surface conductrice face vers le haut sur une plaque chauffante électrique toute la nuit pour cuire le dioxyde de titane sur les plaques. Nettoyez le dioxyde de titane sur la surface conductrice face vers le bas et placez-la dans un endroit propre.
7. Prenez un plat peu profond et remplissez-le de colorant fait avec du jus de mûre, framboise ou grenade, etc. Faites tremper la plaque recouverte de dioxyde de titane face vers le bas pendant au moins 10 minutes.
8. Nettoyez l'autre plaque avec de l'éthanol pendant que la plaque au dioxyde de titane trempe. Testez la conductivité de sa surface après nettoyage. Marquez le côté qui ne conduit pas le courant électrique comme positif. Appliquez du lubrifiant graphite ou du crayon graphite sur le côté conductif et recouvrez toute la surface.
9. Sortez la plaque recouverte de dioxyde de titane du colorant. Rincez-la d'abord avec de l'eau déionisée puis avec de l'éthanol. Essuyez l'éthanol sur la plaque avec un tissu propre.
10. Assemblez les deux plaques de manière que les revêtements se touchent avec les plaques légèrement décalées. Maintenez-les en place avec des pinces de fixation. Elles doivent être décalées car les bords serviront de bornes.
11. Appliquez des gouttes de solution d'iodure sur le revêtement exposé à la lumière. Laissez les revêtements s'imbiber complètement. L'essence de la solution d'iodure est d'aider les électrons à circuler de la plaque recouverte de dioxyde de titane vers la plaque recouverte de carbone lorsqu'elle est exposée au rayonnement EM. Si la solution d'iodure est en excès, essuyez-la sur la surface qui doit être exposée à la lumière.
12. Fixez une pince crocodile sur les sections de la surface revêtue de chaque côté de la cellule. Une pince sur la surface recouverte de graphite (anode) et l'autre sur la surface recouverte de dioxyde de titane (cathode). Connectez des fils conducteurs aux pinces et placez l'ensemble dans une position où la lumière tombera sur la surface de la plaque. Votre cellule solaire est maintenant prête à l'emploi. Vous pouvez tester la tension et le courant produits avec le multimètre. Évidemment, la tension n'est pas suffisante pour charger votre téléphone, mais vous pouvez en faire une chaîne pour y parvenir !

Avantages de l'utilisation de cellules solaires

• Elles ne produisent pas de bruit.
• Elles ne nécessitent pas de carburant pour fonctionner.
• Leur source d'énergie est gratuite dans la nature.
• Elles nécessitent peu d'entretien.

Inconvénients de l'utilisation de cellules solaires

• La surface de la cellule doit être grande pour produire une quantité raisonnable d'énergie électrique.
• Lorsque le soleil se cache derrière les nuages, la quantité d'énergie générée diminue.
• Elles ne peuvent pas être utilisées comme source d'énergie principale en raison des fluctuations de la quantité d'énergie générée.

Applications & Utilisations des cellules solaires

Les cellules solaires ont de nombreuses applications malgré leurs inconvénients :

• Un groupe de cellules solaires connectées en série-parallèle peut être utilisé comme chargeur de batterie.
• Elles sont largement utilisées comme source d'énergie pour les satellites.
• Des dispositifs photovoltaïques multi-unités en silicium peuvent être utilisés pour la détection de lumière dans des applications comme la lecture de cartes perforées dans l'industrie du traitement de données.
• Des cellules de germanium dopé à l'or avec une réponse spectrale contrôlée peuvent être utilisées comme détecteurs infrarouges.

Articles à lire aussi :

• PV : Types de panneaux solaires et lequel est le meilleur panneau PV
• Schéma de câblage et d'installation de panneaux solaires
• Exigences générales pour l'installation d'un système de panneaux solaires
• Connexion en série de panneau solaire avec système UPS automatique
• Combien de watts de panneau solaire avons-nous besoin pour nos appareils électriques domestiques ?
• Guide complet sur l'installation de panneaux solaires. Procédure étape par étape avec calcul

Entrez votre email pour les dernières mises à jour comme celle-ci !