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

1. 1/8
Cette fiche propose une explication de la transformation de la
lumière en électricité au plus proche de la réalité très complexe
de ce phénomène. On y trouvera aussi des exercices traitant de
l’énergie de la lumière.
De plus, il est proposé à la fin de cette fiche une application
pratique permettant de mettre en évidence l’effet de la lumière
sur la génération d’une tension électrique dans une pile solaire.
Cetteexpérienceestdélicateetnécessiteaumoinsunesemaine
pour être fonctionnelle, mais elle illustre bien, avec des moyens
simples, l’impact de la lumière sur le courant électrique.
A noter que la fiche « batterie » présente le moyen de stocker
l’énergie générée par les panneaux solaires pour garantir
l’approvisionnement en électricité de Solar Impulse pendant la
nuit. On trouvera dans ce document une activité permettant de
construire une petite batterie.
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Michel Carrara
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga
LES CELLULES SOLAIRES
De la lumière à l’électricité

2. Notions abordées
Sciences :
• Lumière et énergie
Physique :
• Longueur d’onde et fréquence
• Cellules solaires et semi-conducteurs
• Tension électrique d’une pile
Objectifs d’apprentissage du PER
MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-
rels et des technologies à l’aide de démarches
caractéristiques des sciences expérimentales :
• en acquérant les connaissances nécessaires
en physique et en chimie.
• en utilisant un modèle pour expliquer et/ou
prévoir le fonctionnement d’un objet tech-
nique.
• en choisissant et en utilisant des instruments
d’observation et de mesure.
• en organisant des prises de mesures et en
formalisant les résultats d’une expérience.
Disciplines et options concernées
Sciences : 10e
et 11e
(selon l’activité choisie)
OCOM - Sciences * : 10e
et 11e
(selon l’activité
choisie)
Durée de l’activité
Partie théorique : 2 périodes
Une période pour présenter la lumière et son
énergie, et une autre pour les panneaux solaires
photovoltaïques.
Exercice : 2 périodes
Les exercices sont d’un niveau accessible à tous.
Expérience : 4 périodes
L’expérience n’est adaptée que dans le cadre
d’un TP de sciences qui se déroulerait sur deux
séances, car il faut une semaine pour que le dis-
positif fonctionne.
* Discipline spécifique à la scolarité vaudoise
OCOM : Options de compétences orientées métiers

3. LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE 3/8
PARENTHÈSE HISTORIQUE
L’histoire du panneau solaire est celle d’une réaction à l’échelle atomique. Cette réaction est appe-
lée l’effet photovoltaïque. C’est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés se-
mi-conducteurs, qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière.
L’effet photovoltaïque a été découvert pour la première fois en 1839 par Edmond Bequerel, un physi-
cien français. Il a constaté que certains matériaux, comme le platine, peuvent produire une faible ten-
sion électrique quand ils sont exposés à la lumière. Albert Einstein se penche par la suite sur ce travail.
En 1905, il publie un article sur le potentiel de production d’électricité à partir de la lumière du Soleil.
Ce document explore l’effet photovoltaïque, technologie sur laquelle est fondée le panneau solaire. En
1913, William Coblentz dépose le premier brevet pour une cellule solaire, qu’il ne parviendra jamais à
faire fonctionner. En 1916, Robert Millikan est le premier à produire de l’électricité avec une cellule so-
laire. Pendant les quarante années suivantes, personne ne fit beaucoup de progrès en matière d’éner-
gie solaire, car les cellules photovoltaïques avaient un trop mauvais rendement pour transformer de
manière suffisamment efficace la lumière du Soleil en énergie électrique.
Malgré les nombreux avantages de cette énergie propre, le XXe
siècle a recours à l’énergie thermique
tirée du pétrole. Celui-ci est abondant et très bon marché. Il est considéré comme une matière première
stratégique, à l’origine de la géopolitique du pétrole. Ainsi, le solaire ne séduit plus ; les projets et les
découvertes se font alors plus rares.
Le premier panneau solaire est construit en 1954 par les laboratoires Bell. Il a été appelé « batterie
solaire » juste pour un effet d’annonce : il était en effet trop coûteux à produire. Ce sont les satellites
qui, lors de la course à l’espace, ont réellement fait progresser la recherche sur l’énergie solaire. Les
satellites ont besoin d’une source d’énergie fiable et renouvelable. L’énergie solaire est donc parfaite,
car c’est une source d’énergie constante pour les satellites en orbite pour autant qu’ils soient exposés
aux rayons solaires. L’industrie spatiale investit alors dans le développement des panneaux solaires.
C’est la première utilisation importante de cette technologie.
En 1958, les premiers satellites équipés de panneaux solaires sont envoyés dans l’espace et, à la
même époque, une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point (actuellement, un rendement
de 20 % est très correct).
Grâce à l’espace, les panneaux solaires ont prouvé leur fiabilité. Le coût de production des cellules so-
laires a également diminué. L’énergie solaire a eu un second élan au cours de la crise de l’énergie dans
les années 1970. Quand le prix du pétrole a augmenté de façon spectaculaire, suite au choc pétrolier,
on a commencé à utiliser les panneaux solaires photovoltaïques pour la première fois pour des applica-
tions domestiques. Depuis, les panneaux solaires se sont développés lentement. Pendant longtemps,
ils ont été considérés comme des sources d’énergie alternatives. L’énergie solaire est de nouveau en
plein essor, car on prévoit une pénurie prochaine de pétrole, on se préoccupe du réchauffement de la
planète et le prix de l’énergie n’a jamais été aussi haut. De nos jours, avec la technologie existante, les
cellules des panneaux solaires commercialisés ont un rendement de 17 à 20 % environ. Le rendement
des cellules d’un panneau solaire correspond au pourcentage d’énergie lumineuse convertie en éner-
gie électrique. Cela signifie que les cellules d’un panneau solaire transforment, au maximum, 17 à 20 %
environ de l’énergie solaire en énergie électrique exploitable.
Cette fiche est l’occasion de présenter aux élèves le lien entre la lumière et le courant électrique
et d’introduire aussi quelques notions d’histoire des sciences et de la technique.

4. 4/8 LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE
LES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES OU CELLULES SOLAIRES
Les semi-conducteurs ont acquis une importance considérable dans notre société. Ils sont à la base
de tous les composants électroniques et optoélectroniques [1]
qui entrent dans les dispositifs informa-
tiques, de télécommunications, de télévision, dans l’automobile et les appareils électroménagers, etc.
On dit d’ailleurs que nous sommes à l’âge du silicium, le plus utilisé des semi-conducteurs.
La conductivité électrique d’un solide est une propriété qui est due à la présence d’électrons, libres
de se déplacer dans ce milieu et de générer ainsi un courant électrique. Le courant électrique est un
simple écoulement de ce flux d’électrons libres. L’étude des corps purs et bien cristallisés montre que
les cristaux se séparent en deux grandes familles au voisinage du zéro absolu (-273 °C) : d’une part
les métaux conducteurs de l’électricité, qui contiennent un grand nombre d’électrons libres, et d’autre
part les isolants, où tous les électrons participent à des liaisons chimiques et sont donc fortement liés.
Certains isolants deviennent conducteurs à plus haute température, en particulier s’ils contiennent des
impuretés, des défauts : ce sont par définition les semi-conducteurs. Un semi-conducteur est donc un
cristal qui est isolant s’il est pur, au zéro absolu, et dont la conductivité électrique est due à l’agitation
thermique, à des impuretés ou à différents types de défauts. C’est ce qui se passe lors de l’illumination
des cellules solaires : les photons captés par les cellules augmentent l’agitation thermique au sein du
silicium et permet à celui-ci de devenir conducteur.
Mais ce n’est pas tout : l’agitation thermique des électrons n’est pas suffisante pour créer un courant
électrique. Pour cela, les électrons doivent tous circuler dans le même sens. C’est pourquoi il y a
deux types de semi-conducteurs disposés en couches dans une cellule photovoltaïque. Dans la pre-
mière couche, on crée un déficit d’électrons en introduisant dans le silicium des atomes de bore qui
ont un électron disponible de moins (les semi-conducteurs dopés p), et dans la seconde un surplus
d’électrons disponibles en introduisant des atomes de phosphore qui ont un électron de plus (les
semi-conducteurs dopés n). Grâce à cela, les électrons peuvent maintenant circuler dans la cellule.
On a, comme dans une pile, une borne + (avec un déficit d’électrons) et une borne – (avec un surplus
d’électrons).
[1]
Composants optoélectroniques : composants électroniques qui émettent ou interagissent avec la lumière..
mesure de la
tension électrique
U=0
semi-conducteur de type n
semi-conducteur de type p
énergie
lumineuse
mesure de la
tension électrique
type n
type p
U=0
Pour qualifier la tension électrique (ou force électromotrice) que peut fournir une pile ou une cellule
photovoltaïque, on utilise le Volt [V].

5. LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE 5/8
Exercice 1
a) Les 40 % de 50 %, c’est-à-dire 0,4 · 0,5 = 0,2 = 20 %.
b) Les 20 % de 170’000’000 GW, c’est-à-dire 1,7 · 108
· 0,2 = 3,4 · 107
= 34’000’000 GW.
c) Les 40 % de 50 % de 170’000’000 GW, c’est-à-dire 20 % de 170’000’000 GW
donc 0,4 · 0,5 · 1,7 · 108
= 3,4 · 107
= 34’000’000 GW.
d) La Terre a un rayon moyen de 6’371 km.
Elle a donc une surface de 4 · π · (6’371 · 1’000)2
= 5,1 · 1014
m2
.
Ainsi, on a 1,7 · 108
/ 5,1 · 1014
= 3,3329 · 10-7
GW/m2
= 333,29 W/m2
.
Comme l’énergie est donnée par E = P · t,
l’énergie journalière moyenne par m2
est : E = 333,29 · 24 · 60 · 60 = 2,879·107
J.
e) Pour obtenir cette énergie, on suppose que tous les rayons lumineux émis par le Soleil dans la di-
rection de la Terre parviennent sur la surface de notre planète. Pour ce faire, il faudrait que tous les
ET TOUT CELA EN CHIFFRES…
Exercice 2
Les 200 m2
permettent de capter une puissance de 200 · 250 = 50’000 W, mais comme le rendement est
de 12 %, les panneaux fournissent 50’000 · 0,12 = 6’000 W.
Ces 6 kW correspondent à peu près à la puissance du moteur des frères Wright (9 kW) utilisé en 1903
pour effectuer le premier vol motorisé.
f) 140 km2
= 140 · 1’000 · 1’000 = 1,4 · 108
m2
.
Ce qui donne une énergie reçue totale de 1,4 · 108
· 1’200 = 1,68 · 1011
kWh.
Orilya20 %derendement,cequicorrespondàuneénergiefourniede1,68 · 1011
· 0,2=3,36 · 1010
kWh.
g) On a 3,36 · 1010
kWh (= 3,36 · 107
MWh) d’énergie produite potentiellement par les panneaux
photovoltaïques, ce qui représente 3,36 · 107
/ 2’400’000 = 14 fois plus que la Grande Dixence.
Leibstadt produit 1’200 · 106
· 365 · 24 · 60 · 60 = 3,78 · 1016
J.
Comme 1 kWh = 1000 · 60 · 60 = 3’600’000 J, Leibstadt produit 3,78 · 1016
/ 3’600’000 = 1,05 · 1010
kWh.
Donc, potentiellement, les panneaux photovoltaïques pourraient produire
3,36 · 1010
/ 1,05 · 1010
= 3,19 fois plus que Leibstadt.
rayons arrivent perpendiculairement à notre
atmosphère pour qu’il n’y ait aucune réflexion,
ce qui n’est, bien sûr, pas le cas. De plus,
l’inclinaison des rayons varie suivant l’hémis-
phère, la saison et l’heure de la journée.

6. 6/8 LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE
TECHNOLOGIE : FABRIQUE UNE PHOTOPILE
L’expérience qui est présentée ici est celle faite en 1839 par Edmond Becquerel (le père d’Henri, celui
qui découvrit la radioactivité). Il fut aussi le premier à expérimenter sur les photopiles.
Il a surtout étudié les effets de la lumière sur les courants électriques : selon les cas, elle peut modifier
la résistance d’un conducteur au passage de l’électricité ou faire apparaître un potentiel électrique, ré-
alisant la conversion directe de la lumière en courant. Le premier phénomène, la photoconduction, est
d’emploi courant dans les cellules des appareils photographiques, le second dans les cellules solaires.
Ce qu’on sait moins, c’est que la découverte des effets photoélectriques allait mener à des difficultés
d’interprétation théorique bien gênantes. Et c’est pour échapper à ces difficultés qu’Einstein a émis
l’hypothèse des photons (1905) en appliquant la théorie des quanta à l’énergie rayonnante. Cette ex-
plication de l’effet photoélectrique lui valut par la suite le prix Nobel de physique.
Informations pratiques
Au fil du temps, la plaque nue du dispositif se recouvrira d’une couche d’oxyde de cuivre (Cu2O : un
semi-conducteur) et jouera le rôle de capteur solaire.
Bloc d’électrodes
après 15 jours d’oxydation.
Mesure sans lumière
(sans éclairage)
Mesure avec lumière ambiante Mesure sous éclairage
d’une ampoule de 36W
La prise de mesure s’est faite ainsi :
Différence entre la plaque « habillée » (à gauche)
et la plaque nue (à droite) recouverte d’oxyde de cuivre après
15 jours d’immersion dans la solution saturée de NaCl.
Les mesures sans lumière ou avec lumière ambiante sont semblables à 0,1 - 0,2 mV près. C’est pour-
quoi il a été choisi de prendre comme valeur de la tension initiale la mesure avec la lumière ambiante.

7. LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE 7/8
Au fil du temps, les pattes découpées sur les plaques se sont
recouvertes de sel. Il faut donc les nettoyer avant de brancher
les pinces crocodiles. En faisant cela, il faut éviter au maximum
d’agiter la solution, sinon il peut se produire des effets indési-
rables (comme l’inversion de polarité des plaques). Le mieux
serait de braser deux fils électriques sur les pattes afin d’éviter
ce problème.
En suivant cette expérience pendant 15 jours, les résultats suivants ont été observés :
Jour
Tension sans
éclairage
U1 [mV]
Tension avec
éclairage
U2 [mV]
Différence
de tension
U2 – U1 [mV]
0 4,3 4,3 0
1 1,3 1,3 0
2
3
4 2 2,3 0,3
5 2,2 3,2 1
6 2,4 4,2 1,8
7 1,1 3,4 2,3
8 1,6 3,4 1,8
9
10
11 2,1 4.7 2,6
12 2,8 5,2 2,4
13 2,5 5 2,5
14 1,8 4,5 2,7
15 2,2 4,9 2,7
Différence de tension [mV]
Jour
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
3
2.5
2
1.5
1
0
0.5

8. 8/8 LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE
Au début, la différence de tension
détectable lors de l’éclairage de la
plaque active ne dépassera pas
1 millivolt, mais de toute manière
l’effet photoélectrique sera indis-
cutable, et le but atteint. Plus la lu-
mière renfermera d’ultraviolet (par
beau soleil et en haute montagne),
et plus la différence de tension sera
marquée. En effet, l’ultraviolet a la
longueur d’onde la plus petite du
spectre lumineux (donc l’énergie la
plus grande), le violet et le bleu sont
encore assez énergétiques, mais le
jaune ou le rouge ont une longueur
d’onde trop grande pour appor-
ter suffisamment d’énergie afin de
mettre en mouvement les électrons.
On observera parfois qu’en remuant
la cuve ou le bloc d’électrodes, une
sorte d’inversion de polarité se pro-
duit; elle se manifeste sur le multi-
mètre digital par l’apparition d’un
signe « – ». Curieusement, l’éclaire-
ment de la face active provoquera
alors une chute de potentiel ; cet
effet « anti-photoélectrique » méri-
terait certainement une étude plus
poussée. Il suffira d’attendre 1 ou
2 heures pour que les choses re-
viennent dans l’ordre.
L’expérience a été répétée et voici les résultats :
Jour
Tension sans
éclairage
U1 [mV]
Tension avec
éclairage
U2 [mV]
Différence
de tension
U2 – U1 [mV]
0 2,3 2,3 0
1 0,4 0,4 0
2 1,8 1,9 0,1
3 1,2 1,9 0,7
4 0 0,5 0,5
5
6
7 0,8 1,6 0,8
8 0,7 1,6 0,9
9 0,8 2,2 1,4
10 0 1,6 1,6
11 0,2 3,2 3,0
12
13
14 0,2 1,7 1,5
15 -0,2 1,1 1,3
Différence de tension [mV]
Jour
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
3
2.5
2
1.5
1
0
0.5