Solar Impulse: around the world without fuel to promote clean technologies.

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LES CELLULES SOLAIRES
De la lumière à l’électricité
Solar Impulse n’utilise que la lumière comme source d’énergie
pour alimenter ses moteurs. L’effet de la lumière sur le matériau
des panneaux solaires va permettre à ceux-ci de fournir le
courant nécessaire pour le bon fonctionnement de l’avion.
Cette fiche te permettra de découvrir comment il est possible de
produire de l’électricité à partir de la lumière et, avec beaucoup
de précautions, de fabriquer toi-même une pile qui fonctionne
mieux lorsqu’elle est illuminée par une lampe.
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Michel Carrara
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga

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LES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES OU CELLULES SOLAIRES
Solar Impulse tire son énergie uniquement du Soleil grâce à
des cellules solaires ou panneaux solaires photovoltaïques.
Voici le défi que s’est donné Solar Impulse : « En écrivant à
l’énergie solaire les prochaines pages de l’histoire de l’avia-
tion, jusqu’à un tour de la planète sans carburant ni pollution,
l’ambition de Solar Impulse est d’apporter une contribution du
monde de l’exploration et de l’innovation à la cause des éner-
gies renouvelables. Démontrer l’importance des nouvelles tech-
nologies dans le développement durable, et bien sûr à nouveau
placer le rêve et l’émotion au cœur de l’aventure scientifique ». [1]
Le principe des cellules solaires est de transformer l’énergie de la lumière en courant électrique. Pour
comprendre comment cela fonctionne, étudions comment s’effectue cette transformation. Pour en
savoir plus sur la lumière elle-même, voir la fiche « LA LUMIÈRE ».
Le mot « photovoltaïque » peut être divisé en deux parties : « photo » et « voltaïc ». Le terme « photo » est
dérivé du mot grec qui signifie « lumière ». Un « volt » est l’unité de mesure pour la tension électrique.
Ainsi, littéralement, « photovoltaïque » signifie « électricité grâce à la lumière ». Et c’est exactement ce
que signifie ce mot : « capturer l’énergie solaire sous forme de lumière et la transformer en électricité ».
Alors, comment pouvons-nous transformer le rayonnement solaire en énergie électrique ? Pour conver-
tir la lumière du Soleil en électricité, nous utiliserons un matériau appelé « semi-conducteur ». En termes
simples, un semi-conducteur est un matériau qui agit comme un isolant électrique, mais qui est aussi
capable de conduire l’électricité dans certaines conditions, principalement liées à la pureté du matériau
et à sa température. On emploie cette propriété lorsque l’on convertit l’énergie solaire en électricité. Les
photons, les particules de lumière, entrent en collision avec la surface des matériaux semi-conducteurs
(généralement du silicium, mais dans notre expérience nous utiliserons de l’oxyde de cuivre) et mettent en
mouvement les électrons du panneau solaire pour créer un courant électrique continu. [2]
[1]
Source : http://www.solarimpulse.com/fr/message (consulté le 12.12.2012).
[2]
Source : http://mondiasolar.com/index.php?option=com_djcatalog2&view=itemstable&cid=1&Itemid=7 (consulté le 05.01.2013).
Une cellule solaire est constituée de deux couches
de semi-conducteurs différents. Quand la cellule est
illuminée, l’énergie lumineuse met en mouvement
les électrons dans les semi-conducteurs et une
tension électrique apparaît (U).

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Fabrique de sucre !
La photosynthèse est le processus qui permet aux plantes
de synthétiser de la matière organique en exploitant la lu-
mière du Soleil. Les besoins nutritifs de ces organismes sont
du dioxyde de carbone et de l’eau. La photosynthèse est
la principale voie de transformation du carbone minéral en
carbone organique.
Il existe des cellules solaires qui imitent la photosynthèse
(les cellules Grätzel ou à colorant). Ces cellules ont été dé-
veloppées à partir des années 90 à l’EPFL par le professeur
M. Grätzel.
On peut fabriquer une de ces cellules simplement, un mode
opératoire se trouve sous le lien http://portail.umons.ac.be/
FR/universite/facultes/fpms/applicasciences/Documents/
RessourcesPedag/CelluleGratzel.pdf
Quelles cellules solaires choisir ? Comment les intégrer à la structure ? Quels
sont les matériaux les plus adéquats et comment les intégrer pour obtenir
des panneaux solaires qui offrent le meilleur rendement pour le poids le plus
faible avec la plus grande résistance possible ?
Après plusieurs années de recherche, Laure-Emmanuelle Perret-Aebi sou-
haita s’associer à un projet pratique permettant de faire le lien entre re-
cherche fondamentale et industrialisation. A la recherche d’un projet am-
bitieux qui permette de démontrer que la technologie peut avoir un impact
LAURE-EMMANUELLE PERRET-AEBIPORTRAIT
positif sur l’environnement, elle entendit parler de Solar Impulse et envoya sa candidature.
Sa formation de chimiste, les connaissances qu’elle avait acquises sur les réactions chimiques inter-
venant aux interfaces entre différents matériaux en faisaient la candidate parfaite pour intégrer l’équipe
du professeur Ballif, de l’EPFL, qui travaillait en partenariat avec Solar Impulse sur les problématiques
d’intégration et d’encapsulation des cellules solaires aux panneaux de l’avion. Une opportunité qui
correspondait parfaitement aux attentes de Laure-Emmanuelle.
Diplômée de l’UNI Neuchâtel en 2000, Laure-Emmanuelle a fait un doctorat à Fribourg sur les moteurs
moléculaires (molécules dans lesquelles on peut induire un mouvement), suivi par 4 ans de recherche
à Edimbourg et Neuchâtel. Depuis son projet avec Solar Impulse, elle travaille dans le domaine photo-
voltaïque, en support aux industriels, pour les aider à améliorer leurs produits, résoudre des problèmes
et permettre d’imaginer les nouveaux produits qui verront le jour dans les cinq prochaines années.

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Exercice 1
On estime à 170’000’000 GW la puissance du rayonnement solaire global qui nous parvient sur Terre.
• 30 % du rayonnement est réfléchi par l’atmosphère.
• 20 % est absorbé par l’atmosphère, surtout par l’ozone qui absorbe particulièrement bien les UV.
• 50 % est absorbé par le sol ou les océans dont :
- 40 % est réémis immédiatement sous forme de rayonnement infrarouge
- 40 % est responsable de l’évaporation de l’eau (cycle de l’eau, etc.)
- 20 % est transmis à l’atmosphère par conduction thermique (source des vents par exemple) ou
sert à d’autres usages (photosynthèse, capteurs thermiques, etc.).
ET TOUT CELA EN CHIFFRES…
Seul le 0,05 % du rayonnement global est utilisé par la photosynthèse et 0,008 % pour la production
d’énergie à usage humain.
Sur la base de ces informations, calcule :
a) La proportion du rayonnement total qui est utilisée pour l’évaporation de l’eau.
b) La puissance qui est absorbée par l’atmosphère.
c) La puissance qui est réémise sous forme de rayonnement infrarouge.

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Exercice 2
Le défi proposé par Solar Impulse a poussé les fabricants de cellules photovoltaïques à se dépasser.
Le rendement des cellules est très bon mais l’accent a été mis surtout sur une masse très faible par
rapport à la surface couverte, de façon à ce que l’avion soit le plus léger possible.
Calcule la puissance électrique maximale que peuvent produire les panneaux lorsque l’avion vole.
Indications
L’énergie du Soleil fournit une puissance moyenne de 250 W/m2
sur 24 heures.
La surface des panneaux de Solar Impulse est de 200 m2
.
Le rendement des cellules est de 12 %
En supposant que l’énergie soit absorbée de manière homogène sur l’entier de la surface terrestre
(le rayon terrestre moyen est de 6’371 km) :
d) Calcule l’énergie reçue par mètre carré en une journée de 24 heures.
e) Cette hypothèse est-elle réaliste ? Explique.
En moyenne par m2
et en une année, l’énergie produite par le rayonnement solaire est de 1’200 kWh en
Suisse. Selon l’IEA-PVPS (International Energy Agency Photovoltaic Power System Programme), 140 km2
de toitures pourraient être disponibles pour la production d’énergie.
f) Calcule l’énergie fournie en prenant un rendement moyen de 20 % pour des panneaux photovol-
taïques.
g) Compare cette énergie à celle produite en une année par la Grande Dixence (2’400 GWh) et à
la puissance de la centrale nucléaire de Leibstadt, la plus puissante des centrales nucléaires de
Suisse (1’200 MW).
Les surfaces supérieures de l’aile et du stabi-
lisateur de Solar Impulse sont bleu foncé, la
couleur caractéristique des cellules solaires.
Ces 11’628 cellules ont l’orientation la plus
favorable pour être exposées aux rayons du
soleil. Pour gagner en poids, l’équipe de Solar
Impulse a développé des solutions permettant
d’intégrer les cellules directement à la peau
constituant l’aile de l’avion. Un défi de fabrica-
tion pour garantir la résistance de la structure
tout en maximisant sa légèreté.

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TECHNOLOGIE : FABRIQUE UNE PHOTOPILE
Fabriquons une photopile, c’est-à-dire une pile qui produise de l’électricité grâce à la lumière : c’est le
principe des cellules photovoltaïques. Cette expérience nécessite un très long temps d’attente, d’au
moins une semaine pour bien fonctionner. [3]
Matériel nécessaire
• produit chimique : une solution de NaCl satu-
rée [4]
, le volume à préparer doit permettre de
remplir le récipient que l’on va utiliser
• 2 plaques de cuivre
• 1 morceau d’étoffe sombre (venant d’un vieux
T-shirt, par exemple)
• 2 élastiques
• 1 petit récipient en plastique ou en plexiglas
(pas de verre)
• 1 multimètre
• 2 fils de cuivre isolés
• 2 trombones ou pinces crocodiles
• 1 lampe de bureau
Marche à suivre
1) Découpe deux plaques de cuivre d’une sur-
face d’au moins 80 cm2
(par ex. de dimensions
10 × 10 cm). Elles seront utilisées comme élec-
trodes pour la pile que nous sommes en train
de construire. Nettoie ces feuilles avec de la
laine d’acier afin de mettre systématiquement
le métal à nu (ne pas employer des produits
nettoyants comme des savons, mais uniquement des produits abrasifs). Dégage une patte sur
chaque électrode (c’est-à-dire découpes-y une languette) pour y fixer les pinces crocodiles.
2) « Habille » les deux faces de l’une des plaques avec un tissu foncé, de telle façon qu’il n’y ait qu’une
seule couche de tissu entre les deux électrodes. La figure ci-dessous montre comment assembler
les deux plaques et les maintenir ensemble avec deux élastiques.
La plaque nue est destinée à recevoir la lumière, l’autre est maintenue dans l’obscurité par le tis-
su qui l’entoure. Avant de poursuivre, vérifie soigneusement que les deux électrodes ne soient en
contact à aucun endroit.
[3]
Source : Science & Vie N°858, Mars 89, page 138.
[4]
Le NaCl (chlorure de sodium) est le sel de cuisine. Pour préparer une solution saturée de sel de cuisine, verse le sel par petites quantités dans de l’eau
chaude, si possible déminéralisée, et agite jusqu’à complète dissolution ; poursuis l’opération jusqu’à ce que le sel ajouté ne se dissolve plus dans la solution
(saturation). Laisse reposer la solution jusqu’à température ambiante. C’est prêt. Cela correspond à un peu plus de 350 g/l à 25°C.

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4) Si l’on branche à ce moment-là un multimètre numérique aux bornes du montage, on constate
qu’une tension de quelques millivolts est créée par la pile. Elle est due aux impuretés présentes
dans le métal utilisé et qui ne sont pas réparties uniformément dans les deux plaques, même si on
a découpé ces dernières dans une feuille unique.
Avant de détecter une variation de la tension sous l’effet de la lumière, il va falloir être patient. Il faut
attendre presque une semaine pour que l’oxydation superficielle de la face sensible de l’électrode
active (face visible de la plaque nue) l’ait couverte d’une couche semi-conductrice. Passé ce délai,
elle deviendra sensible à la lumière et la photopile fournira une plus grande tension si elle est éclai-
rée (mais de quelques millivolts seulement, de 2 à 10 mV selon la lampe utilisée).
Comme il y aura de l’évaporation durant le temps d’attente, il est nécessaire de maintenir la hauteur
du liquide en ajoutant régulièrement de l’eau.
3) Mets le tout en place dans la cuve de manière à ce que l’en-
semble des plaques se présente légèrement en biais, puis
verse dans la cuve la solution saturée de sel, de façon à ce
que les plaques y trempent au maximum.