photopile

Réponse du service Guichet du Savoir

Une pile photovoltaïque ou photopile transforme directement la lumière du soleil en énergie électrique. Les particules de lumière, les photons, viennent ainsi exciter les électrons du silicium qui constitue une plaque pouvant aller de quelques millimètres carrés pour le capteur d'une montre à plusieurs mètres carrés sur un toit de maison.
source : Espace-sciences.org : Une photopile, c'est quoi, ça dure combien de temps ?


Le rendement d'une photopile est le rapport entre l'énergie électrique fournit et l'énergie solaire reçue. Le rendement théorique d'une cellule solaire au silicium est de 22 %. Dans la pratique ce rendement se situe entre 10 % et 15 %.

"À l'aide de matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, il est possible de réaliser des dispositifs qui transforment le rayonnement solaire en électricité : c'est ce que l'on appelle des photopiles ou cellules photovoltaïques. En disposant une photopile au soleil, une tension électrique apparaît à ses bornes : c'est un convertisseur d'énergie solaire en énergie électrique. La photopile permet donc de capter l'énergie solaire — du moins une partie. Actuellement, les meilleures photopiles ont un rendement d'environ 15 %, ce qui signifie que 85 % de l'énergie qui arrive sur la surface de la photopile n'est pas transformée en électricité. Effectivement, cela fait beaucoup de pertes, mais 15 %, c'est déjà pas si mal et c'est surtout mieux que rien, quand on pense que cette énergie nous "tombe" du ciel durant toute la journée (par beau temps).
En assemblant des photopiles, on peut réaliser des panneaux solaires, tels que ceux qui alimentent de nombreux satellites artificiels mais aussi, plus près de nous, tels que ceux que l'on peut voir déjà sur des horodateurs, des cabines téléphoniques, et même des maisons individuelles. La production d'électricité par conversion photovoltaïque peine à se développer en raison de ses faibles rendements comparés à son coût encore élevé (les panneaux photovoltaïques sont relativement onéreux même si leur prix a été divisé par quatre entre 1970 et 1990).
Avantages
- Energie disponible partout à la surface de notre planète, surtout dans les zones tempérées, tropicales et équatoriales.
- Les panneaux photovoltaïques s'intègrent particulièrement bien aux toitures et peuvent ainsi produire une partie de l'électricité nécessaire à une habitation sans occuper inutilement l'espace.
Inconvénients
- Energie renouvelable non-stockable dépendante du temps qu'il fait. La production électrique est donc aléatoire.
- Panneaux photovoltaïques encore très chers.
- Le niveau de production maximal dépend de la surface de capteur exposée au soleil, d'où une grande emprise au sol (ou sur le toît ou la façade) dès que l'on a besoin d'un puissance assez conséquente.
Utilisation
- Bien adapté à l'électrification de sites isolés tels que refuges montagnards, relais hertziens, bergeries, maisons isolées non-raccordée à un réseau.
- Adapté à l'alimentation d'appareils peu consommateurs et/ou mobiles (calculatrices, satellites, horodateurs, équipement de voiliers,...)
- Utilisable pour l'alimentation de systèmes frigorifiques ou de climatisation (notamment dans les pays très ensoleillés et donc très chauds !)
- Inadapté à des usages tels que : production de chaleur, propulsion (même si cela reste possible)
- Pour la production de chaleur ou de froid, l'énergie solaire thermique est largement préférable (elle évite de passer par la forme électrique de l'énergie, ce qui réduit d'autant les pertes de conversion)
- Les panneaux photovoltaïques peuvent aussi être raccordés sur le réseau électrique. Leur propriétaire devient alors producteur d'électricité pour les autres lorsque sa production dépasse sa propre consommation.
source : Les sources d'énergie renouvelables

Le site Abcelectronique.com indique :
"Le rendement d’une photopile est limité par plusieurs facteurs tel que l’indice de réflexion du semiconducteur qui est très grand (30%), le gap du matériau qui limite la conversion en énergie électrique d'une bande étroite du rayonnement solaire (notons que le visible et le proche infra-rouge n'est qu'une petite partie du rayonnement solaire). Le silicium par exemple a un gap de 1.1 eV, si l'énergie des photons est inférieure à 1.1 eV (infra rouge et au-delà), les photons vont traverser le matériau sans être absorbés, donc sans génération de photocourant. Si l'énergie des photons dépasse les 3eV (ultraviolet et au-delà), l'absorption est élevée mais elle se fera essentiellement en surface, vu l'état d'interface semiconducteur-oxyde, les photocourants générés seront immédiatement recombinés et ne participeront pas à un courant utile. D'où l'explication d'un rendement aussi faible.
Plusieurs techniques existent pour augmenter le rendement, par exemple déposer une couche d'anti-réflexion sur la cellule solaire, le rayonnement réfléchi par le matériau est réinjecté grâce à cette couche, ainsi les pertes sont réduites. Une autre solution consiste à employer plusieurs matériaux ayant des énergies de gap différentes comme l'arsénure de gallium ou le tellurure de cadium, on obtient alors une structure multicouche, chaque couche admet une efficacité maximale dans une région du spectre, ceci augmente le rendement mais augmente aussi le prix de la cellule."


Pour en savoir plus, vous pouvez consulter ces sites internet :
- L’énergie solaire
- Le solaire photovoltaïque
- Comment transforme t-on l'énergie lumineuse du soleil en électricité ?
- Les photopiles
- L'énergie qui tombe du ciel
ainsi que ces ouvrages de la Bibliothèque municipale de Lyon : Photophile