Que ce soit sur une calculatrice solaire ou une station spatiale internationale, les panneaux solaires produisent de l’électricité en utilisant les mêmes principes d’électronique que les batteries chimiques ou les prises électriques standard. Avec les panneaux solaires, il s’agit de la libre circulation des électrons à travers un circuit.
Pour comprendre comment ces panneaux génèrent de l’électricité, il peut être utile de revenir rapidement en cours de chimie au lycée. L’élément de base des panneaux solaires est le même élément qui a contribué à créer la révolution informatique : le silicium pur. Lorsque le silicium est débarrassé de toutes les impuretés, il constitue une plate-forme neutre idéale pour la transmission des électrons. Le silicium possède également des propriétés au niveau atomique qui le rendent encore plus attractif pour la création de panneaux solaires.
Les atomes de silicium ont de la place pour huit électrons dans leurs bandes externes, mais n’en portent que quatre dans leur état naturel. Cela signifie qu’il y a de la place pour quatre électrons supplémentaires. Si un atome de silicium entre en contact avec un autre atome de silicium, chacun reçoit les quatre électrons de l’autre atome. Cela crée une liaison forte, mais il n’y a pas de charge positive ou négative car les huit électrons satisfont les besoins des atomes. Les atomes de silicium peuvent se combiner pendant des années pour donner un gros morceau de silicium pur. Ce matériau est utilisé pour former les plaques des panneaux.
C’est ici que la science entre en scène. Deux plaques de silicium pur ne généreraient pas d’électricité dans les panneaux solaires, car elles n’ont aucune charge positive ou négative. Les panneaux solaires sont créés en combinant du silicium avec d’autres éléments qui ont des charges positives ou négatives.
Le phosphore, par exemple, a cinq électrons à offrir aux autres atomes. Si le silicium et le phosphore sont combinés chimiquement, le résultat est un huit électrons stables avec un électron libre supplémentaire pour le trajet. Il ne peut pas partir, car il est lié aux autres atomes de phosphore, mais il n’est pas nécessaire au silicium. Par conséquent, cette nouvelle plaque de silicium/phosphore est considérée comme chargée négativement.
Pour que l’électricité circule, une charge positive doit également être créée. Ceci est réalisé en combinant le silicium avec un élément tel que le bore, qui n’a que trois électrons à offrir. Une plaque de silicium/bore a encore une place pour un autre électron. Cela signifie que la plaque a une charge positive. Les deux plaques sont prises en sandwich dans les panneaux, avec des fils conducteurs entre elles.
Avec les deux plaques en place, il est maintenant temps d’introduire l’aspect solaire des panneaux solaires. La lumière naturelle du soleil envoie de nombreuses particules d’énergie différentes, mais celle qui nous intéresse le plus s’appelle un photon. Un photon agit essentiellement comme un marteau en mouvement. Lorsque les plaques négatives des cellules solaires sont pointées à un angle approprié par rapport au soleil, les photons bombardent les atomes de silicium/phosphore.
Finalement, le 9e électron, qui veut être libre de toute façon, est éjecté de l’anneau extérieur. Cet électron ne reste pas libre longtemps, car la plaque positive de silicium/bore l’attire dans le point ouvert de sa propre bande externe. Au fur et à mesure que les photons du soleil détachent plus d’électrons, de l’électricité est générée. L’électricité générée par une cellule solaire n’est pas très impressionnante, mais lorsque tous les fils conducteurs éloignent les électrons libres des plaques, il y a suffisamment d’électricité pour alimenter des moteurs à faible ampérage ou d’autres appareils électroniques. Quels que soient les électrons qui ne sont pas utilisés ou perdus dans l’air, ils sont renvoyés vers la plaque négative et l’ensemble du processus recommence.
L’un des principaux problèmes liés à l’utilisation des panneaux solaires est la faible quantité d’électricité qu’ils génèrent par rapport à leur taille. Une calculatrice peut n’avoir besoin que d’une seule cellule solaire, mais une voiture à énergie solaire en nécessiterait plusieurs milliers. Si l’angle des panneaux est modifié même légèrement, l’efficacité peut chuter de 50 %.
Une partie de l’énergie des panneaux solaires peut être stockée dans des batteries chimiques, mais il n’y a généralement pas beaucoup d’excès d’énergie en premier lieu. La même lumière du soleil qui fournit des photons fournit également des ondes ultraviolettes et infrarouges plus destructrices, qui finissent par dégrader physiquement les panneaux. Les panneaux doivent également être exposés à des éléments météorologiques destructeurs, qui peuvent également affecter sérieusement l’efficacité.
De nombreuses sources appellent également les panneaux solaires des cellules photovoltaïques, ce qui fait référence à l’importance de la lumière (photos) dans la génération de tension électrique. Le défi pour les futurs scientifiques sera de créer des panneaux plus efficaces, suffisamment petits pour des applications pratiques et suffisamment puissants pour créer un excès d’énergie pendant les périodes où la lumière du soleil n’est pas disponible.