Le principe d’un panneau solaire photovoltaïque repose sur une conversion directe : celle de la lumière du soleil en électricité. Cette transformation, appelée effet photovoltaïque, se réalise dans un matériau semi-conducteur, sans pièces mécaniques, sans bruit, ni émissions polluantes. La simplicité de ce système tient à sa capacité à exploiter l’énergie la plus abondante disponible, le rayonnement solaire, pour produire un courant électrique utilisable.
Pour saisir ce mécanisme, il faut observer les étapes microscopiques qui s’enchaînent depuis la capture d’un rayon de soleil jusqu’à la fourniture d’électricité à un logement.
Le silicium, matériau semi-conducteur au centre du dispositif
Au cœur d’une cellule photovoltaïque se trouve un matériau aux propriétés électriques particulières : un semi-conducteur. Le silicium est celui qui domine le marché, un choix naturel puisqu’il est le deuxième élément le plus présent dans la croûte terrestre après l’oxygène, souvent extrait du sable sous forme de silice.
Après une purification poussée (au-delà de 99,999 %), le silicium est cristallisé en lingots massifs. Ces lingots sont ensuite tranchés en fines feuilles, appelées wafers, d’une épaisseur d’environ quelques centaines de microns, qui serviront de base pour fabriquer les cellules.
Pur, le silicium ne conduit pas bien l’électricité. Pour lui conférer les propriétés nécessaires, on effectue un « dopage », c’est-à-dire l’introduction contrôlée d’atomes d’autres éléments afin d’altérer sa structure électrique. Deux couches distinctes sont ainsi formées :
- Une couche dopée de type N (négative), enrichie en atomes comme le phosphore qui possèdent plus d’électrons périphériques que le silicium. Ces électrons supplémentaires sont libres de se déplacer, ce qui crée des porteurs de charge négative.
- Une couche dopée de type P (positive), enrichie en éléments comme le bore, qui ont moins d’électrons périphériques. Cette absence crée des « trous », des sites capables d’accueillir des électrons, agissant comme des porteurs de charge positive.
La jonction P-N, moteur de la conversion d’énergie
La cellule photovoltaïque se forme par la superposition de ces deux couches. Le point où elles se rencontrent s’appelle la jonction P-N. C’est ici que démarre le processus fondamental de transformation de la lumière en électricité.
Lorsque les couches entrent en contact, un phénomène de diffusion naturelle se produit. Les électrons libres excédentaires dans la couche N migrent vers la couche P pour combler les trous. Ce déplacement crée une séparation de charges : côté N, des atomes de phosphore ionisés positivement restent en place ; côté P, des atomes de bore ionisés négativement apparaissent.
Cette séparation génère un champ électrique permanent au niveau de la jonction, qui agit comme une barrière empêchant la poursuite de la diffusion des électrons. Cette zone, appelée zone de déplétion ou charge d’espace, est essentielle : elle oriente les charges électriques et devient le moteur du fonctionnement de la cellule.
L’effet photovoltaïque en action : lumière transformée en courant électrique
La lumière est composée de photons, des particules d’énergie. Leur interaction avec la cellule provoque la production d’électricité selon plusieurs étapes :
- Lorsqu’un photon suffisamment énergétique frappe le silicium, il transmet son énergie à un électron.
- Cet électron reçoit un « coup de pouce » qui lui permet de quitter sa position fixe dans la structure atomique et de devenir libre, mobile. En partant, il laisse un trou derrière lui, formant une paire électron-trou.
- Sans intervention, ces deux charges se recombineraient rapidement, dissipant l’énergie en chaleur. Mais le champ électrique créé par la jonction P-N empêche cette recombinaison.
- Il sépare immédiatement la paire : l’électron est attiré vers la couche N, le trou vers la couche P.
Ce processus se répète des milliards de fois chaque seconde en plein soleil. Il en résulte une accumulation de charges négatives d’un côté et positives de l’autre, créant une tension électrique, comme dans une pile.
Du courant généré à l’électricité domestique
Pour utiliser cette tension, la cellule est équipée de fines grilles métalliques sur sa face avant, appelées « doigts de collecte » et « busbars ». Elles récupèrent les électrons sans bloquer la lumière. Une couche métallique recouvre la face arrière pour collecter les trous.
En reliant ces deux extrémités à un circuit extérieur, les électrons circulent, générant un courant continu (DC).
Une seule cellule produit environ 0,6 volt. Pour atteindre une tension exploitable, plusieurs dizaines de cellules (60, 72 ou plus) sont connectées en série pour former un module.
Ce courant continu est ensuite envoyé vers un onduleur. Ce dernier le convertit en courant alternatif (AC), 230 volts et 50 hertz, compatible avec le réseau électrique et les appareils domestiques.
Le fonctionnement d’un panneau solaire repose donc sur une succession d’étapes physiques simples, qui permettent de transformer directement et proprement l’énergie solaire en électricité immédiatement utilisable.