Aller au contenu principal

Production d’électricité : les cellules solaires

Illustration de l’énergie solaire

Illustration de l’énergie solaire (axel2001, iStockphoto)

Illustration de l’énergie solaire

Illustration de l’énergie solaire (axel2001, iStockphoto)

Let's Talk Science
5.5

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Partager sur:

Découvre comment l’énergie provenant du soleil peut être utilisée pour générer de l’électricité.

Le soleil est une source d’énergie que nous utilisons pour générer de l’électricité. On l’appelle énergie solaire. Au Canada, nous avions une capacité de production de 4000 mégawatts d’énergie solaire en 2022. C’est 25,8 % de plus que ce que nous pouvions générer en 2021! Malgré le fait qu’elle ne représente que 1 % de notre production totale d’électricité, l’énergie solaire est en hausse au Canada.

L’énergie solaire convertit le rayonnement du soleil en énergie électrique. Une façon de procéder consiste à faire usage de matériaux photovoltaïques. Ceux-ci peuvent être utilisés pour créer un courant électrique lorsqu’ils sont exposés à la lumière. On appelle ce procédé l’effet photovoltaïque. L’usage de cellules photovoltaïques ou cellules solaires permet de l’exploiter. Les manufacturiers rassemblent souvent un grand nombre de cellules solaires ensemble pour fabriquer des panneaux solaires.

Un panneau solaire est composé de cellules solaires intercalées entre des couches de film adhésif transparent. Le devant de cet assemblage est recouvert d’une couche de verre maintenue par un cadre. L’arrière comporte une couche d’aluminium appelée feuille de fond qui peut conduire l’électricité. L’électricité générée par les cellules solaires quitte le panneau solaire à la boîte de jonction.

Voici un schéma en couleur des différentes couches de matériaux à l’intérieur d’un panneau solaire.
Parties d’un panneau solaire. (Parlons sciences utilise une image de alejomiranda via iStockphoto).
Image - Version texte

Voici un schéma en couleur des différentes couches de matériaux à l’intérieur d’un panneau solaire.

En commençant par le haut, la première couche est un contour gris foncé rectangulaire. Il est légèrement plus grand et plus épais que les différentes feuilles rectangulaires en dessous, de sorte que ces dernières peuvent toutes entrer étroitement à l’intérieur. Il s’agit du « cadre ».

Vient ensuite un rectangle transparent. Le rectangle est bleu sarcelle. Il est étiqueté « Verre ».

En dessous, il y a une couche de la même taille et de la même forme que celle du dessus, mais plus mince et d’une légère couleur bleu pâle. Cette couche est étiquetée « Pellicule adhésive avant ».

Ensuite, il y a la couche centrale. Il s’agit d’une feuille rectangulaire composée de plus petits rectangles bleu foncé rayés de fines lignes blanches. Il est indiqué « Cellules solaires ».

En dessous se trouve une couche étiquetée « Pellicule adhésive arrière ». Elle a le même aspect que la couche de la pellicule adhésive avant.

La dernière couche rectangulaire est gris pâle. Cette couche est étiquetée « Feuille de fond ».

Sous la feuille de fond, au centre d’un côté court du rectangle, on retrouve une petite boîte plate gris foncé. Elle est étiquetée « boîte de jonction ».

Les cellules solaires sont généralement fabriquées à base de silicium. Le silicium est un élément chimique naturel. C’est aussi un semi-conducteur. Les semi-conducteurs peuvent agir autant comme un conducteur qu’un isolant.

Le savais-tu?

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur la planète, après l’oxygène.

Une cellule solaire comporte trois couches principales.

  1. La couche de type n peut facilement donner des électrons. Cette couche fait face à la lumière. « Type n » signifie « type négatif ». Cette couche est composée de silicium et d’un élément, comme le phosphore, qui possède plus d’électrons que le silicium.
  2. La couche du milieu est composée de silicium. Des photons lumineux, dont les longueurs d’onde sont comprises entre 350 et 1 140 nm, sont absorbés dans cette couche. Il s’agit d’une lumière visible du spectre électromagnétique. Les photons entrent en contact avec les électrons de silicium. Ces électrons libres se déplacent vers la couche de type n. Les atomes de silicium ont maintenant une charge positive. Nous les appelons des « trous d’électrons ». Les trous se déplacent vers la couche de type p.
  3. La couche de type p du dessous peut recevoir des électrons excédentaires. Cette couche fait dos à la lumière. « Type p » signifie « type positif ». Cette couche est composée de silicium et d’un élément, comme le bore, qui possède moins d’électrons que le silicium.

Les électrons libres sont collectés par de fines bandes conductrices d’argent situées juste au-dessus de la couche de type n. Les trous libres sont collectés par une fine feuille conductrice d’aluminium située juste en dessous de la couche de type p. La connexion d’un fil entre ces deux matériaux conducteurs permet aux électrons de circuler. Un flux d’électrons est un courant électrique.

Voici un schéma en couleur représentant la lumière du soleil frappant un panneau solaire connecté à une ampoule.
Effet photovoltaïque (Parlons sciences utilise une image de VectorMine via Getty Images).
Image - Version texte

Voici un schéma en couleur représentant la lumière du soleil frappant un panneau solaire connecté à une ampoule.

Le titre « Effet photovoltaïque » est écrit en lettres majuscules dans le coin supérieur gauche. En dessous, il y a un carré bleu comportant différentes couches étiquetées. Au-dessus, des flèches jaunes descendent depuis le mot « Lumière du soleil » en lettres orange.

En commençant par le haut, la première couche est mince, pâle et d’un bleu translucide. Elle est étiquetée « Couche antireflet ». En dessous, la deuxième couche est plus épaisse et brune avec de fines bandes grises sur le dessus. La partie brune est étiquetée « Couche N : Conducteur négatif ». Les bandes sont étiquetées « Conducteur (généralement en argent) ». La troisième couche est la plus épaisse. Elle est bleu foncé et étiquetée « Semi-conducteur (généralement en silicium) ». La quatrième couche est beaucoup plus mince et de couleur dorée. Elle est étiquetée « Couche P : Conducteur positif ». La couche inférieure est la plus mince. Elle est gris foncé et étiquetée « Conducteur (généralement en aluminium) ».
La lumière du soleil traverse la couche antireflet et la couche N, et pénètre dans la couche semi-conductrice. Les pointes des flèches sont chacune entourées d’une étoile blanche. Deux flèches partent de chaque étoile blanche. L’une pointe vers la mince bande argentée de la couche N, où il y a un petit cercle jaune marqué d’un signe moins. La flèche porte la mention « Flux d’électrons ». L’autre flèche pointe vers le bas, vers la couche P, où il y a un petit cercle rouge marqué d’un signe plus. La flèche porte la mention « Flux de trous ».

À droite, une ampoule électrique brille en jaune. Une ligne bleue relie le côté gauche de la base de l’ampoule à l’une des bandes conductrices argentées de la couche N. La ligne est parsemée de cercles jaunes marqués d’un signe moins représentant les électrons. Une ligne rouge, également parsemée d’électrons, relie la couche P au côté droit de la base de l’ampoule. Elle est étiquetée « Courant électrique ».

Une fine ligne noire mène du carré composé des différentes couches à l’illustration d’une maison dotée de panneaux solaires sur son toit. Il est écrit « Panneaux solaires ».

Une cellule solaire standard est un carré mesurant 15,6 cm x 15,6 cm. Elle peut générer environ un demi-volt d’électricité. Cela représente environ le tiers du tension d’une pile alcaline AA neuve. Ce n’est pas beaucoup.

Heureusement, on peut connecter plusieurs cellules solaires ensemble. Douze cellules photovoltaïques suffisent pour charger un téléphone cellulaire. L’alimentation d’une maison requiert de nombreux panneaux solaires.

Shown is a colour photograph of long rows of large solar panels in a field.
Panneaux solaires dans un champ (Source : querbeet via iStockphoto).
Image - Version texte

Voici une photo en couleur de longues rangées de grands panneaux solaires dans un champ.

L’appareil-photo est tourné vers le premier panneau solaire. Il s’agit d’un grand rectangle composé de panneaux rectangulaires plus petits. Ils sont assemblés en une grille, quatre de large et trois de haut. Chaque petit panneau est bleu foncé et comporte une grille de fines lignes argentées ainsi qu’un cadre argenté. Le panneau solaire entier, plus grand, est incliné de sorte que ses surfaces soient orientées vers le haut, en direction d’un ciel d’un bleu éclatant. De longues herbes jaune-vert poussent sous le panneau.

Derrière le premier panneau, une rangée de panneaux identiques s’étend au loin et disparaît à l’horizon. À droite et à gauche, il y a deux autres rangées identiques.

On peut souvent voir un grand nombre de panneaux solaires réunis en un même lieu. Ce système porte le nom de centrale solaire photovoltaïque ou parc solaire. En 2018, plus de 98 % des panneaux solaires du Canada étaient situés en Ontario. Mais de nombreuses autres régions ont un potentiel photovoltaïque important. Voici quelques-uns des endroits les plus ensoleillés du Canada!

Voici un graphique en couleur illustrant les capacités et les emplacements des parcs solaires.
Les 20 plus grands parcs solaires au Canada (2023) (Image de Parlons sciences adaptée à partir de données de Wikipédia).
Image - Version texte

Voici un graphique en couleur illustrant les capacités et les emplacements des parcs solaires.

Le titre est inscrit en lettres majuscules en haut. L’axe des Y est étiqueté « Capacité (MW) ». L’axe des X est gradué de 0 à 400. Le graphique montre 20 barres qui s’étendent pour atteindre différents points. Chacune d’entre elles porte un numéro. Certaines sont bleues et d’autres sont rouges. Une légende au bas du graphique indique que le bleu représente l’Alberta et le rouge l’Ontario. Le nom et l’emplacement de chaque parc solaire sont indiqués à droite.

En commençant par le haut, la première barre est bleue et s’étend sur toute la largeur du graphique. Elle est étiquetée « 465 ». Dans la liste de droite, on peut lire « Travers (TVS1), Alberta. » La barre suivante atteint un quart de la largeur du graphique. Elle est rouge et étiquetée « 100 ». On peut lire « Grand Projet Solaire Renouvelable, ON ». Les autres barres sont étiquetées comme suit :

100 MW, Centrale solaire de Kingston, ON
80 MW, Sarnia, ON
75 MW, Claresholm 2 (CLR2), AB
59 MW, Sault Ste. Marie, ON
58 MW, Claresholm 1 (CLR2), AB
54 MW, Loyalist, ON
50 MW, Southgate, ON
50 MW, Windsor, ON
44 MW, Nanticoke, ON
41 MW, Clydesdale (CLY1), AB
39 MW, Parc solaire Empress (EMP1), AB
37 MW, Parc solaire Deerfoot (DFT1), AB
34 MW, Clydesdale 2 (CLY2), AB
33 MW, Stardale, ON
30 MW, Liskeard, ON
27 MW, Centrale solaire de Barlow (BLS1), AB
25 MW, Rainy River, ON
25 MW, Hull (HUL1), AB

Le savais-tu?

Le plus grand parc solaire du Canada est le projet solaire Travers dans le sud de l’Alberta. Il a une capacité nominale de 465 MW. Le projet a commencé à produire de l’électricité en 2022.

L’énergie solaire peut être particulièrement utile dans les communautés éloignées, qui dépendent souvent de génératrices diesel pour la production d’électricité. Il est difficile de leur acheminer du carburant, et la combustion de celui-ci pour produire de l’électricité libère des gaz à effet de serre. À Fort Chipewyan, dans une région isolée du Nord-Est de l’Alberta, un parc solaire qui a débuté ses activités à la fin de 2020 est la propriété de trois groupes des Premières Nations. Avec les nouveaux panneaux solaires, la communauté consommera 800 000 litres de carburant diesel en moins chaque année. Cela signifie que 2 376 tonnes de gaz à effet de serre ne seront plus produites.

L’énergie solaire est une source renouvelable d’énergie. C’est parce que l’énergie provenant du soleil ne s’épuisera pas. Les combustibles fossiles comme le pétrole, le gaz et le charbon ne sont pas renouvelables. L’énergie solaire est un moyen propre de produire de l’électricité. C’est parce qu’elle ne génère pas de gaz à effet de serre qui entraînent une aggravation des changements climatiques. Elle ne génère aussi aucune pollution de l’air, de l’eau ou par le bruit lorsque les panneaux sont en fonctionnement. Mais comme presque tout ce que nous fabriquons, la pollution et les gaz à effet de serre sont produits lors de la fabrication, de l’installation et de l’élimination des panneaux solaires.

Les panneaux solaires génèrent le plus d’électricité quand le soleil brille. Ils ne fonctionnent pas aussi bien les jours nuageux. Ils fonctionnent mieux lorsqu’ils sont placés près de l’équateur, car le soleil brille plus directement sur eux. Ils fonctionnent aussi mieux en été, lorsque les journées sont plus longues.

Les parcs solaires nécessitent beaucoup de terres. Ce sont des terres qui pourraient avoir d’autres usages comme des habitats fauniques ou des fermes.

Les panneaux solaires ne sont pas très efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité. La plupart des panneaux solaires ont une efficacité d’environ 20 %. Cela signifie que seulement 20 % de l’énergie solaire qu’ils captent est convertie en énergie électrique.

Mais cela représente déjà une grande amélioration par rapport à ce que c’était il y a seulement 10 ans et il y a d’autres bonnes nouvelles à l’horizon. Un nouveau panneau solaire a atteint une efficacité de 47 % en laboratoire et de près de 40 % sur le terrain. Cela veut dire que le futur de la production d’électricité solaire pourrait être très brillant!

Pourquoi parle-t-on autant de l'énergie solaire ? (2018)
Cette vidéo (1 min 42 s) par Info ou Mytho ? explique l'énergie solaire, comment nous l'utilisons maintenant et comment nous pourrions l'utiliser à l'avenir.

La centrale solaire de Sarnia (2011)
Cette vidéo (2 min 25 s) de Radio-Canada présente et visite la centrale solaire de Sarnia (anciennement la plus grande au monde en 2011).

L'énergie solaire photovoltaïque, comment ça marche Par Jamy Gourmaud (2017)
Cette vidéo (3 min 53 s) par Jamy Gourmaud et heliosolaire permet de mieux comprendre la production de l'énergie solaire.

Références

ACS Chemistry for Life. (n. d.). How a Solar Cell Works.

Delbert, C. (2020 April 20). This Solar Panel Just Set a World Record for Efficiency. Popular Mechanics.

Government of Canada. (2023). Energy Fact Book (2023 - 2024).

Svarc, J. (2020 September 8). Most efficient solar panels 2020. Clean Energy Reviews. 

The Renewable Energy Hub UK. (n. d.). How do Solar Panels Work For Kids

Three Nations Energy. (2022). Three Nations Energy Solar Farm.

US Energy Information Administration. (2020). Photovoltaics and electricity.