Comment la production d'énergie solaire photovoltaïque convertit-elle la lumière du soleil en électricité ?

I. Le principe fondamental de la production d'énergie photovoltaïque : le voyage magique des photons aux électrons
(I) Matériaux semi-conducteurs : le « convertisseur d'énergie » de la production d'énergie photovoltaïque
Le cœur de la production d'énergie photovoltaïque est constitué de plaquettes de silicium semi-conductrices. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet photoélectrique et doit répondre à deux conditions clés :
Adaptation de la bande interdite : La bande interdite du silicium (Si) est de 1,12 eV, ce qui correspond à la lumière visible (1,6-3,1 eV) et à la lumière proche infrarouge (0,7-1,6 eV), les plus énergétiques du spectre solaire, et permet d'absorber efficacement environ 40 % de l'énergie du rayonnement solaire ;
Structure PN : Grâce au dopage, des interfaces semi-conductrices de type P (dopé au bore, plus de trous) et de type N (dopé au phosphore, plus d'électrons) sont formées dans la plaquette de silicium. Un champ électrique intégré (tension d'environ 0,6-0,7 V) assure la séparation des charges.
Lorsque la lumière solaire éclaire la plaquette de silicium, les photons d'énergie supérieure à la bande interdite excitent les électrons de la bande de valence et les transfèrent vers la bande de conduction, générant ainsi des paires électron-trou. Sous l'action du champ électrique intégré de la jonction PN, les électrons migrent vers la région N et les trous vers la région P, créant ainsi une différence de potentiel. Le circuit externe peut dériver du courant et convertir directement l'énergie lumineuse en énergie électrique. (II) Analyse des étapes clés de la conversion photoélectrique
Absorption des photons : L’épaisseur de la plaquette de silicium est d’environ 180 à 200 µm, ce qui permet d’absorber plus de 90 % de la lumière d’une longueur d’onde de 400 à 1 100 nm. L’énergie restante est perdue sous forme de déperdition ou de transmission thermique.
Séparation des charges : Le champ électrique intégré de la jonction PN permet une séparation des paires électron-trou supérieure à 95 %. Si elles ne sont pas séparées à temps, les charges se recombinent et disparaissent en 1 à 10 microsecondes.
Collecte du courant : Les lignes de la grille métallique (espacées d’environ 0,5 à 1 mm) à la surface de la région N collectent les électrons, tandis que l’électrode arrière de la région P collecte les trous. Un circuit fermé est formé à travers le fil. La tension de sortie d’une cellule unique typique est de 0,5 à 0,6 V, et le courant augmente linéairement avec l’intensité lumineuse.
II. Matériaux clés et conception structurelle des cellules photovoltaïques
(I) Plaquettes de silicium : du silicium haute pureté aux couches absorbantes de lumière à haute efficacité
Préparation du silicium haute pureté : des lingots de silicium polycristallin d'une pureté de 99,9999 % sont préparés par réduction au trichlorosilane (méthode Siemens), puis tranchés, chanfreinés et meulés pour éliminer les défauts et former un cœur absorbant la lumière ;
Texturation de surface : gravure de la surface des plaquettes de silicium à l'aide d'une solution alcaline afin de former une structure pyramidale (hauteur de 1 à 10 µm), réduisant ainsi la réflectivité lumineuse de 30 % à moins de 5 %, ce qui équivaut à une augmentation de 15 % du taux d'utilisation de l'énergie lumineuse ;
Revêtement antireflet : un film de dioxyde de silicium (SiO₂) ou de nitrure de silicium (SiNₓ) de 50 à 100 nm d'épaisseur est déposé à la surface de la plaquette de silicium afin de réduire davantage la réflexion grâce au principe d'interférence lumineuse, tandis que Protection de la plaquette de silicium contre l'érosion environnementale.
(II) Électrodes et matériaux conducteurs : Laisse la charge circuler
Lignes de grille métalliques : Les lignes de grille imprimées avec de la pâte d'argent sur la face avant (largeur 20-30 µm) doivent équilibrer conductivité et taux d'ombrage. Une conception optimisée permet de réduire la zone d'ombrage à moins de 5 % et d'obtenir un rendement de collecte de courant supérieur à 98 %.
Technologie de contact arrière : En plaçant toutes les électrodes positives et négatives à l'arrière de la batterie (comme les batteries IBC) pour éviter l'ombrage des lignes de grille avant, le rendement de conversion peut être augmenté de 1 à 2 %. Un laboratoire a obtenu un rendement de 26,8 % pour les batteries au silicium monocristallin.
Rôle des matériaux auxiliaires : Dans certaines pâtes conductrices ou couches d'interface, le dioxyde de manganèse (MnO₂) peut être utilisé comme activateur de conductivité ou catalyseur pour augmenter le taux de transfert de charge grâce à sa structure en couches unique, ou comme matériau de modification de la couche de transport de trous dans les batteries à pérovskite. Bien qu'il ne soit pas essentiel, il contribue à optimiser les performances.

III. De la cellule unique au système de production d'électricité : avantages techniques et scénarios d'application

(I) Architecture à trois couches du système photovoltaïque

Couche batterie : des cellules individuelles en silicium sont connectées en série pour former un module (60/72 pièces en série, tension 30-40 V), encapsulé dans un film EVA et un panneau arrière en verre, avec une résistance aux intempéries de 25 ans (atténuation de puissance < 20 %) ;
Couche onduleur : convertit le courant continu en courant alternatif (rendement de conversion > 98 %) et dispose de la fonction MPPT (suivi du point de puissance maximale) pour optimiser la puissance de sortie en temps réel. Selon des mesures réelles, un projet donné peut augmenter la production d'électricité de 5 à 8 % ;
Couche système : coopère avec des supports (suivi/fixe), des boîtes de jonction et des équipements de surveillance pour former une unité de production d'électricité complète. Le photovoltaïque décentralisé (résidentiel, industriel et commercial) et les centrales électriques centralisées (désert/surface de l'eau) présentent chacun leurs propres avantages.
(II) Avantages environnementaux et économiques irremplaçables
Propriétés propres : La production annuelle d'électricité par kilowatt de capacité photovoltaïque installée est de 1 200 à 1 500 kWh, ce qui équivaut à une réduction des émissions de CO₂ d'une tonne et de 25 tonnes sur le cycle de vie (25 ans), soit plus de cinq fois les émissions de carbone du processus de fabrication (« période de retour sur investissement énergétique » < 1,5 an) ;
Avantage en termes de coût : Au cours des dix dernières années, le coût de l'électricité photovoltaïque est passé de 3 yuans à moins de 0,3 yuan, soit un coût inférieur à celui de la production d'électricité à partir de charbon (0,5 yuan). Le délai de retour sur investissement d'un projet de toiture industrielle et commerciale a été réduit à 5-6 ans.
Résilience des applications : Fonctionnement stable dans un environnement de -40 °C à 85 °C. La capacité installée dans les zones de haute altitude du Tibet (intensité lumineuse de 1 800 kWh/m²/an) a augmenté de 20 % par an, devenant ainsi le premier choix pour l'alimentation électrique dans les zones reculées.

IV. Itération technologique : Du polysilicium à la percée du photovoltaïque de nouvelle génération
(I) Trois axes majeurs d'amélioration de l'efficacité

Innovation structurelle : Les cellules HIT (hétérojonction) passivent l'interface silicium amorphe/silicium cristallin, avec un rendement de conversion de 26,8 % (> 24 % pour une ligne de production de masse) et un coefficient de température de seulement -0,25 %/°C, ce qui les rend plus adaptables aux environnements à haute température que les cellules PERC traditionnelles (-0,38 %/°C).
Extension des matériaux : Le rendement en laboratoire des cellules pérovskites atteint 26,3 %, et celui des cellules empilées à base de silicium dépasse 33 %. Leur bande interdite ajustable (1,2-2,3 eV) permet de couvrir un spectre plus large et pourrait devenir le « plafond d'efficacité » à l'avenir.
Optimisation du procédé : Les cellules TOPCon améliorent l'efficacité de séparation des porteurs grâce à la couche d'oxyde à effet tunnel arrière (1-2 nm SiO₂), et leur rendement en production de masse dépasse 25 %. Un fabricant a prévu une capacité de production de 100 GW, propulsant ainsi l'industrie vers une « ère d'efficacité de 25 % ».
(II) Valeur auxiliaire potentielle du dioxyde de manganèse
Dans la recherche de nouvelles batteries, l'application du dioxyde de manganèse émerge progressivement :
Modification de l'agent conducteur : L'ajout de nanofeuilles de MnO₂ à l'électrode en carbone d'une batterie à pérovskite peut augmenter le taux de transfert d'électrons de 15 % et réduire la résistance d'interface ;
Fonction catalytique : Dans le système de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau photovoltaïque, le MnO₂ est utilisé comme catalyseur de dégagement d'oxygène (OER) pour obtenir une production efficace d'hydrogène à partir de l'énergie photovoltaïque. Bien qu'il ne soit pas au cœur du photovoltaïque, il a permis de développer la filière « lumière-électricité-hydrogène ».
V. Défis et avenir : Que le soleil éclaire chaque kilowattheure d'électricité
Goulot d'étranglement du silicium : La production de polysilicium consomme beaucoup d'énergie (120 à 150 kWh par kilogramme d'électricité), et il est nécessaire de promouvoir la méthode du lit fluidisé (consommation d'énergie réduite de 50 %) et la technologie de recyclage du silicium de qualité électronique (taux de récupération > 90 %).
Soutien au stockage d'énergie : La production photovoltaïque est affectée par le jour et la nuit, et il est nécessaire de développer simultanément les batteries au lithium (efficacité de stockage d'énergie de 90 %) et le pompage-turbinage (capacité jusqu'à GW) pour passer de la « production et utilisation » à une « alimentation électrique stable ».
Soutien politique : Plus de 130 pays dans le monde ont proposé des objectifs de neutralité carbone, et la politique chinoise de promotion du photovoltaïque distribué à l'échelle du comté devrait stimuler La capacité installée devrait dépasser les 100 millions de kilowatts en 2025, avec un marché en croissance de 30 % par an.
Conclusion
De la première cellule de silicium fonctionnelle (rendement de 6 %) aux Bell Labs en 1954 aux modules actuels à plus de 26 % de rendement, la production d'énergie solaire photovoltaïque a mis 70 ans à prouver que les avancées scientifiques peuvent transformer les ressources naturelles en une force transformatrice du paysage énergétique. Lorsque la lumière du soleil éclaire les plaquettes de silicium et que les électrons migrent de manière ordonnée dans les jonctions PN, cette technologie basée sur la physique des semi-conducteurs non seulement éclaire des milliers de foyers, mais constitue également la seule voie permettant à l'humanité de dire adieu aux énergies fossiles. Grâce aux progrès constants de l'innovation matérielle et de l'intégration des systèmes, la production d'énergie solaire photovoltaïque deviendra l'option énergétique la plus économique et la plus fiable, permettant à chaque kilowattheure d'électricité de briller d'une lumière pure.

Auteur : Hazel
Date : 28/05/2025