Chapitre 4 — Deux siècles d’énergie électrique · Topic 1 : Électromagnétisme et photovoltaïque · Leçon 1.2
En 1905 — la même année qu’il publie la relativité restreinte — Albert Einstein explique l’effet photoélectrique : la lumière est composée de « grains » d’énergie qu’il appelle des photons, et chaque photon peut arracher un électron à la surface d’un métal. Ce travail lui vaudra le Prix Nobel de physique en 1921. Un siècle plus tard, ce même principe est au cœur des cellules photovoltaïques qui couvrent de plus en plus nos toits et nos campagnes. Comprendre les semi-conducteurs, c’est comprendre l’avenir de la production d’électricité.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- Expliquer l’effet photoélectrique et calculer l’énergie d’un photon (E = h·ν).
- Distinguer conducteurs, isolants et semi-conducteurs par leur structure de bande d’énergie.
- Décrire le dopage n et p du silicium et l’effet d’une jonction p-n.
- Expliquer le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.
- Comparer les rendements d’un alternateur et d’une cellule PV et en donner les raisons.
🧭 Plan de la leçon
- La mécanique quantique et les photons
- La structure de bande des solides
- Le silicium et le dopage
- La jonction p-n et la cellule photovoltaïque
- Le spectre solaire, le rendement et les limites
1. La mécanique quantique et les photons
La mécanique quantique est la théorie physique qui décrit le comportement des particules à l’échelle atomique et subatomique. Elle introduit deux idées révolutionnaires :
- Dualité onde-corpuscule : la lumière se comporte tantôt comme une onde (diffraction, interférences) et tantôt comme un flux de particules (photons).
- Quantification de l’énergie : l’énergie ne peut prendre que des valeurs discrètes (quantifiées), pas continues.
E = h · ν
Où E est l’énergie du photon (en joules), h la constante de Planck (h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s) et ν (nu) la fréquence de la lumière (en Hz). Plus la fréquence est élevée (donc plus la longueur d’onde est courte), plus le photon est énergétique. Un photon de lumière ultraviolette (ν élevée) est plus énergétique qu’un photon de lumière infrarouge (ν faible).
L’effet photoélectrique (Einstein, 1905) montre qu’un photon peut céder toute son énergie à un électron d’un matériau. Si cette énergie est suffisante, l’électron est libéré de l’atome auquel il était lié et peut circuler librement — créant ainsi un courant électrique.
Einstein n’a PAS reçu le Prix Nobel pour la relativité. C’est pour l’explication de l’effet photoélectrique qu’il reçoit le Nobel de physique en 1921. Cette explication, en quantifiant la lumière en photons, posait les bases de la mécanique quantique — et allait à l’encontre de la vision ondulatoire de la lumière dominante à l’époque. Même Max Planck, qui avait pourtant introduit la quantification de l’énergie en 1900, était sceptique sur l’idée des photons d’Einstein.
2. La structure de bande des solides
Dans un solide, les électrons des atomes ne peuvent pas occuper n’importe quel niveau d’énergie — ils se répartissent dans des bandes d’énergie séparées par des gaps (zones d’énergie interdite) :
| Type de matériau | Structure de bande | Comportement électrique | Exemples |
|---|---|---|---|
| Conducteur | Bande de valence et bande de conduction se chevauchent (pas de gap) | Électrons libres de circuler → très bon conducteur | Cuivre, argent, aluminium |
| Isolant | Gap très large (>5 eV) entre bande de valence et bande de conduction | Pas d’électron dans la bande de conduction → non conducteur | Verre, plastique, diamant |
| Semi-conducteur | Gap étroit (~1 à 3 eV) entre les deux bandes | Conductivité intermédiaire, modulable par température ou lumière | Silicium (Si), germanium (Ge), arséniure de gallium (GaAs) |
Dans un semi-conducteur, un photon d’énergie suffisante peut faire « sauter » un électron de la bande de valence (où il est lié) à la bande de conduction (où il est libre de circuler). Cette transition crée simultanément une paire : un électron libre (charge négative) et un trou (charge positive, correspondant à l’absence de l’électron). Ces deux porteurs de charge peuvent contribuer au courant électrique.
3. Le silicium et le dopage
Le silicium (Si) est le semi-conducteur le plus utilisé en photovoltaïque. Il possède 4 électrons de valence et forme un réseau cristallin régulier dans lequel chaque atome partage ses 4 électrons avec 4 voisins (liaisons covalentes). Son gap est de 1,12 eV — une valeur bien adaptée au spectre solaire.
Pour rendre le silicium plus conducteur et le rendre utile dans un dispositif électronique, on le « dope » en introduisant délibérément des impuretés :
| Type de dopage | Élément dopant | Effet | Porteurs majoritaires |
|---|---|---|---|
| Dopage n (négatif) | Phosphore (5 électrons de valence) | Apporte un électron excédentaire libre dans le réseau | Électrons (charges négatives) |
| Dopage p (positif) | Bore (3 électrons de valence) | Crée un « trou » (manque d’électron) dans le réseau | Trous (charges positives) |
4. La jonction p-n et la cellule photovoltaïque
Une jonction p-n se forme à l’interface entre une couche de silicium dopé p et une couche de silicium dopé n. À cette jonction, les électrons du côté n diffusent vers le côté p et se recombinent avec les trous — créant une zone de déplétion (zone sans porteurs libres) et un champ électrique interne dirigé du côté n vers le côté p.
C’est ce champ électrique interne qui est la clé du fonctionnement de la cellule photovoltaïque :
- Un photon solaire frappe la cellule et, si son énergie est supérieure au gap (1,12 eV pour Si), il crée une paire électron-trou dans le semi-conducteur.
- Le champ électrique interne de la jonction p-n sépare les deux porteurs : l’électron est poussé vers le côté n, le trou vers le côté p.
- Si la cellule est connectée à un circuit externe, les électrons circulent de la couche n vers la couche p à travers ce circuit → courant continu (DC).
Alternateur → courant alternatif (AC) / Cellule PV → courant continu (DC). Un alternateur produit un courant qui change de sens périodiquement (sinusoïdal à 50 Hz). Une cellule PV produit un courant qui circule toujours dans le même sens (continu). Pour injecter l’électricité d’un panneau solaire dans le réseau, il faut passer par un onduleur (convertisseur DC → AC).
5. Le spectre solaire, le rendement et les limites
Le spectre solaire est la distribution de l’énergie lumineuse selon les fréquences (ou longueurs d’onde). Il s’étend de l’ultraviolet à l’infrarouge, avec un maximum dans le visible.
Pourquoi le rendement des cellules PV est-il limité à ~20 % pour les cellules commerciales, alors que l’alternateur atteint >95 % ? Plusieurs raisons fondamentales :
| Cause de perte | Explication |
|---|---|
| Photons sous le seuil du gap | Les photons infrarouges (E < 1,12 eV) n’ont pas assez d’énergie pour créer une paire e-trou dans le silicium → ils chauffent la cellule sans produire de courant. |
| Photons au-dessus du gap | Les photons UV très énergétiques (E >> 1,12 eV) créent bien une paire e-trou mais le surplus d’énergie est dissipé en chaleur (thermalisation). |
| Recombinaisons électron-trou | Une partie des paires créées se recombinent avant d’atteindre les électrodes. |
| Pertes optiques et résistives | Réflexion à la surface, résistance des contacts, ombrage des connexions. |
La limite théorique maximale pour une cellule PV à jonction simple en silicium est d’environ 33 % (limite de Shockley-Queisser). Les cellules multijunction (associant plusieurs matériaux à gaps différents pour absorber différentes parties du spectre) peuvent dépasser 40 % mais restent très coûteuses.
🧠 À retenir absolument
- Photon : grain de lumière d’énergie E = h·ν. La constante de Planck h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s.
- Semi-conducteur : gap étroit (~1–3 eV) permettant la création de paires électron-trou par absorption de photons.
- Silicium : gap 1,12 eV, dopé n (phosphore → électrons) ou p (bore → trous).
- Jonction p-n : champ électrique interne qui sépare les paires e-trou → courant continu (DC).
- Rendement PV (~20 %) : limité par les photons hors-gap (trop peu ou trop énergétiques) et les recombinaisons. Très différent du rendement de l’alternateur (>95 %).
- Cellule PV → DC ; alternateur → AC. Un onduleur transforme le DC en AC pour le réseau.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi utilise-t-on le silicium et pas un autre semi-conducteur ?
Le silicium présente un ensemble de propriétés remarquablement adaptées au photovoltaïque : son gap de 1,12 eV est bien aligné avec le spectre solaire (il peut absorber environ 70 % des photons solaires), il est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre (donc peu coûteux), il est non-toxique, stable et sa technologie de purification est maîtrisée depuis des décennies (industrie des semi-conducteurs électroniques). D’autres matériaux comme le tellurure de cadmium (CdTe) ou le séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) offrent des rendements intéressants mais présentent des contraintes de disponibilité, de toxicité ou de coût de production qui limitent leur déploiement à grande échelle.
Les panneaux solaires fonctionnent-ils par temps nuageux ?
Oui — mais avec une production réduite. Par temps nuageux, la cellule reçoit de la lumière diffuse (photons solaires diffusés par les nuages), qui peut représenter 10 à 30 % de l’ensoleillement direct. La production est donc réduite mais non nulle. L’Allemagne, pays peu ensoleillé, est pourtant l’un des plus grands producteurs mondiaux d’énergie solaire photovoltaïque — preuve que le solaire peut être efficace même sous des latitudes élevées. En revanche, les panneaux ne fonctionnent pas la nuit (absence de photons).
Pourquoi un onduleur est-il nécessaire entre les panneaux solaires et le réseau ?
Les cellules PV produisent un courant continu (DC) — les électrons circulent toujours dans le même sens. Le réseau électrique fonctionne en courant alternatif (AC) — la tension alterne sinusoïdalement à 50 Hz. Un onduleur (inverter) est donc indispensable pour convertir le DC en AC compatible avec le réseau. Les onduleurs modernes atteignent des rendements de conversion de 95 à 98 %, et incluent souvent des fonctions de gestion intelligente de l’injection (puissance maximale, synchronisation de phase avec le réseau, détection d’ilôtage).
Quelle est la durée de vie d’un panneau solaire ?
Les panneaux solaires commerciaux actuels ont une durée de vie garantie de 25 à 30 ans, avec une dégradation de performance typique de 0,5 à 0,8 % par an. Après 25 ans, un panneau produit encore en général 80 % de sa puissance initiale. Les données des premières installations (années 1980–1990) suggèrent que certains panneaux peuvent fonctionner bien au-delà de 30 ans. La question du recyclage en fin de vie (verre, aluminium, silicium, métaux rares dans les connexions) est un enjeu croissant pour la filière.
En quoi la mécanique quantique est-elle indispensable pour comprendre le photovoltaïque ?
Sans la mécanique quantique, le photovoltaïque est inexplicable. La physique classique prédit que n’importe quelle fréquence lumineuse devrait pouvoir arracher des électrons si l’intensité est assez forte — or l’expérience montre que c’est la fréquence, pas l’intensité, qui détermine si des électrons sont libérés (effet photoélectrique d’Einstein). C’est la quantification de la lumière en photons qui explique ce comportement. De même, la structure de bandes d’énergie des semi-conducteurs (qui détermine le gap et donc les photons absorbés) ne peut être calculée qu’avec la mécanique quantique. C’est pourquoi la physique quantique, longtemps perçue comme abstraite, est aujourd’hui au cœur de technologies de masse comme le photovoltaïque et les transistors.
🚀 Pour aller plus loin
Tu comprends comment l’électricité est produite par induction et par effet PV. Explore maintenant comment elle est transportée et stockée :
- Leçon 5.1 — Produire de l’électricité sans combustion (éolien, nucléaire, PV, hydrogène)
- Leçon 5.2 — Transport, pertes par effet Joule et stockage de l’énergie
- Chapitre 6 — Énergie, choix de développement et futur climatique
Sources scientifiques : Bulletin Officiel, programme d’enseignement scientifique de Terminale (BO n° 25, 2023) · Einstein A. (1905), « Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt », Annalen der Physik · Shockley W. & Queisser H.J. (1961), « Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells », Journal of Applied Physics · Agence Internationale de l’Énergie (AIE), Solar PV Technology Report (2023).
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.