Comment fabriquer une cellule solaire simple ? Fonctionnement des cellules photovoltaïques

 Comment construire une cellule solaire simple ? (Pas à pas) | Principe de fonctionnement de base de la cellule photovoltaïque

Introduction aux cellules solaires ou cellules photovoltaïques

Une cellule solaire (ou Cellule photovoltaïque ) est un appareil qui produit du courant électrique soit par action chimique, soit en convertissant la lumière en courant électrique lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil. Pour les besoins de cet article, une attention particulière sera accordée aux cellules solaires uniquement.

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Une cellule solaire est également connue sous le nom de cellule photovoltaïque qui produit du courant électrique lorsque la surface est exposée au soleil. Au cours de cet article, nous ferons référence à la lumière du soleil en tant que rayonnement électromagnétique (rayonnement électromagnétique).

Dans les cellules solaires, la quantité d'énergie électrique générée par les cellules dépend de l'intensité du rayonnement em qui atteint la surface de la cellule. La cellule solaire convertit le rayonnement em en courant continu. Ainsi, nous pouvons dire qu'une cellule solaire est un dispositif à jonction semi-conductrice qui convertit le rayonnement électromagnétique qui nous parvient du soleil en énergie électrique. Comme indiqué ci-dessus, le courant généré est continu.

Principe de fonctionnement de base 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 la photo, la surface sombre est la partie qui est exposée au soleil. Lorsque le rayonnement EM frappe la surface de la cellule, il excite les électrons et les fait ainsi sauter d'un niveau d'énergie (orbite) à l'autre en laissant des trous derrière eux.

Ces trous servent de porteurs de charge positive tandis que les électrons servent de porteurs de charge négative. Ne vous y trompez pas, les électrons ou les trous ne constituent pas pour donner les charges électriques. Ils ne portent que les charges. Ce faisant, le rayonnement EM est converti en énergie électrique. Les cellules solaires sont fabriquées essentiellement à partir de semi-conducteurs comme le silicium et le sélénium étant les plus largement utilisés.

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

Types de semi-conducteurs

Nous avons deux types de semi-conducteurs qui sont les semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques.

Semi-conducteurs intrinsèques :

Ce sont des semi-conducteurs qui sont purs dans leur propre forme. 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 dans la mesure où ils sont dopés (des substances qui servent d'impuretés sont ajoutées afin d'améliorer sa 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 (élément à trois électrons de valence) comme le bore. Les trous (porteurs de charge positifs) sont les principaux porteurs de charge dans ce type de semi-conducteur.

• N - Type Semi-conducteurs

  Les électrons sont les principaux porteurs de charge 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 (élément avec un électron à cinq valences dans la coque externe).

• PN – Type Semi-conducteurs

  Lorsque les semi-conducteurs de type P et N sont assemblés en les faisant fondre, c'est-à-dire en soumettant les surfaces en contact à une température élevée (sans les fondre complètement pour qu'elles forment une seule entité), il se forme entre elles une frontière ou une jonction qui est de l'ordre de 10 ^-3 mm. Cette jonction formée est appelée jonction PN. Une concentration élevée de trous d'un côté d'une jonction et une concentration élevée d'électrons de l'autre côté provoquent la diffusion des deux porteurs de charge respectivement de l'autre côté de la jonction.

Comment construire une simple cellule photovoltaïque/solaire ?

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

Sachant que les matériaux semi-conducteurs comme le silicium et le sélénium peuvent être assez chers, nous verrons comment construire une cellule solaire en utilisant des matériaux comme le silicium et aussi comment construire une cellule solaire en utilisant matériaux bon marché qui peuvent être obtenus autour de nous.

Notez que l'utilisation de matériaux bon marché ne donnera pas une sortie d'une puissance de sortie équivalente par rapport à si vous utilisez du silicium ou du sélénium et deuxièmement, plus la surface du matériau exposée à rayonnement électromagnétique, plus d'énergie sera produite.

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

Comme dit précédemment, la surface est un matériau de type P. Le matériau de type P doit être mince afin que l'énergie lumineuse (rayonnement électromagnétique) puisse pénétrer dans la jonction et atteindre le matériau de type N pour permettre 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 à l'aide de silicium, voyons comment nous pouvons produire une cellule photovoltaïque à l'aide de différents matériaux. Au lieu d'utiliser de l'oxyde cuivreux, nous utiliserons différents matériaux. Les matériaux nécessaires sont les suivants :

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

Dans notre dernier travail, le matériau de type P fait face au soleil et est plus conducteur que le matériau de type N. Le verre est un semi-conducteur à conductivité partielle. Pour que l'une des plaques de verre agisse comme matériau de type P tandis que l'autre matériau de type N, vous devez les traiter avec des produits chimiques afin qu'à la fin, l'une d'elles 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 de verre avec votre main après le nettoyage.
2. À l'aide d'un millimètre, testez la conductivité des surfaces des plaques et notez la surface la plus conductrice de chacune des plaques. Placez les plaques côte à côte avec la surface conductrice de l'une des plaques vers le bas tandis que l'autre surface conductrice vers le haut.
3. Après l'étape 2, appliquez un ruban adhésif transparent pour maintenir les plaques de verre ensemble. Le ruban doit être appliqué le long de n'importe lequel des côtés longs des plaques. Le ruban doit recouvrir environ 1 mm des bords. Placez également un ruban adhésif sur l'extérieur de la plaque de verre vers le haut de 4 mm à 5 mm.
4. Appliquez uniformément des gouttes de dioxyde de titane sur la surface des plaques de verre et étalez la solution uniformément. Laissez la solution recouvrir la surface conductrice orientée vers le bas.
5. Lorsque vous avez terminé d'appliquer du dioxyde de titane, retirez les bandes qui maintiennent les plaques ensemble.
6. Placez la surface conductrice qui fait face vers le haut sur une plaque chauffante électrique pendant la nuit afin de cuire le dioxyde de titane sur les plaques. Nettoyez le dioxyde de titane qui se trouve sur la surface conductrice vers le bas et placez-le dans un endroit propre.
7. Prenez un plat peu profond et remplissez-le de colorant à base de jus de mûre, de framboise ou de grenade, etc. Faites tremper la plaque recouverte de dioxyde de titane qui est tournée vers le bas pendant au moins 10 minutes.
8. Nettoyez l'autre plaque avec de l'éthanol pendant que la plaque de dioxyde de titane trempe dans le colorant. Testez la conductivité de sa surface après le nettoyage. Marquez le côté qui ne conduit pas le courant électrique comme positif. Appliquez le lubrifiant graphite du crayon graphite sur le côté conducteur et couvrez toute la surface.
9. Retirez la plaque recouverte de dioxyde de titane du colorant. Rincer d'abord avec de l'eau déminéralisée puis avec de l'éthanol. Essuyez l'éthanol sur la plaque avec un chiffon propre.
10. Assemblez les deux plaques ensemble de manière à ce que les revêtements se touchent avec les plaques légèrement décalées. Maintenez les plaques en place à l'aide de clips de reliure. Ils doivent être décalés car les bords serviront de terminaux.
11. Appliquez des gouttes de solution d'iodure sur le revêtement exposé à la lumière du soleil. Laissez les revêtements tremper complètement dans la solution. L'essence de la solution d'iodure est d'aider les électrons à circuler de la plaque revêtue de dioxyde de titane vers la plaque revêtue de carbone lorsqu'elle est exposée au rayonnement électromagnétique. Si la solution d'iodure est en excès, essuyez la solution sur la surface qui doit être exposée au soleil.
12. Fixez une pince crocodile ou une pince crocodile aux sections de la surface revêtue de chaque côté de la cellule. Une pince attachée à la surface recouverte de graphite qui sert de support tandis que la pince crocodile est fixée à la surface recouverte de dioxyde de titane. Il s'agit bien sûr de la cathode. Connectez les fils conducteurs aux clips et placez-les 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 quantité de tension et de courant produite par la cellule solaire à l'aide du multimètre. Évidemment, la tension n'est pas suffisante pour recharger votre téléphone, mais vous pouvez faire une chaîne de ces cellules solaires pour le faire !

Avantages de l'utilisation de la cellule solaire

Voici les avantages de l'utilisation de cellules solaires :

• Il ne produit pas de bruit
• Il ne nécessite pas de carburant pour l'alimenter
• Sa puissance motrice est gratuite dans la nature
• Il nécessite peu d'entretien

Inconvénients de l'utilisation de cellules solaires

Les inconvénients de l'utilisation de cellules solaires sont

• La surface de la cellule doit être grande afin de produire une quantité raisonnable d'énergie électrique.
• Lorsque le soleil se cache dans les nuages, la quantité d'énergie générée sera réduite.
• Ils ne peuvent pas être utilisés comme source d'énergie en raison des fluctuations de la quantité d'énergie générée.

Applications et utilisations des cellules solaires

Cellules solaires ont de nombreuses applications malgré ses inconvénients qui sont les suivants :

• Groupe de séries - les cellules solaires connectées en parallèle peuvent être utilisées comme chargeur de batterie
• Ils sont largement utilisés comme source d'énergie pour les satellites
• Des dispositifs photovoltaïques en silicium à plusieurs unités peuvent être utilisés pour détecter la lumière dans des applications telles que la lecture de cartes perforées dans l'industrie du traitement de données
• Or – des cellules au germanium dopé avec une caractéristique de réponse spectrale contrôlée peuvent être utilisées comme détecteurs infrarouges.

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