Cellules photovoltaïques et diodes : cours de Terminale
Publié le 6 novembre 2026 · Mis à jour le 6 novembre 2026 · Signaler une erreur
L'essentiel
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, éclairé, fournit de l'électricité par effet photovoltaïque ; elle délivre une tension continue.2
Un photon n'arrache un électron que si son énergie dépasse la bande interdite (environ 1,12 eV pour le silicium, soit une longueur d'onde inférieure à 1,12 µm).2
Pour éviter la recombinaison, la cellule envoie électrons et trous vers des faces opposées : une différence de potentiel apparaît.2
Côté circuit, la cellule équivaut à une source de courant associée à une diode ; avec un stockage, une diode en série est indispensable.2
Le rendement compare la puissance électrique obtenue à la puissance lumineuse reçue ; les cellules tandem l'améliorent mais coûtent plus cher.2
Introduction : de la lumière au courant
Une calculatrice solaire fonctionne sans pile, un satellite se passe de prise électrique, une toiture alimente un logement. Dans tous ces cas, un même composant fait le travail : la cellule photovoltaïque. Ce chapitre prolonge ce que tu as vu sur le photon et l'effet photoélectrique : il s'agit maintenant de comprendre comment on met cette interaction au service d'un circuit électrique.
La cellule photovoltaïque, aussi appelée cellule solaire, est un petit composant électronique : placée dans la lumière, elle fournit de l'électricité par effet photovoltaïque.2 Elle délivre une tension continue, et un courant la traverse dès qu'on la relie à une charge électrique.2
Le plan est le suivant : on regarde d'abord ce qui se passe à l'échelle d'un photon et d'un électron, puis comment la cellule est construite, ensuite pourquoi on la modélise avec une diode, et enfin comment on évalue ses performances et ses limites.
AbsorptionUn photon d'énergie supérieure au gap est absorbé.
Paire électron-trouUn électron est arraché et laisse un trou.
SéparationÉlectrons et trous vont vers deux faces opposées.
CourantUn circuit relie les faces : le courant circule.
De la lumière au courant électrique · Les étapes du fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.
Le point de départ : un photon dans un semi-conducteur
Le silicium est le matériau de base de la plupart des cellules, qui sont donc des semi-conducteurs. D'autres composés servent plus rarement : le séléniure de cuivre-indium (CIS), le CIGS ou le tellurure de cadmium (CdTe).2 Une cellule prend en général la forme d'une fine plaque d'une dizaine de centimètres de côté.2
Dans un semi-conducteur, les électrons ne sont pas libres de se déplacer : ils sont liés à la matrice du matériau. Pour qu'un courant puisse naître, il faut les en libérer. C'est le rôle de la lumière.
Séparer les charges : l'idée de la jonction
Arracher un électron ne suffit pas. Quand le photon libère un électron, il laisse derrière lui un trou. Si on ne fait rien, l'électron retombe vite dans un trou voisin : c'est la recombinaison. L'énergie du photon se dissipe alors et aucun courant utile n'apparaît.2
Cette séparation repose sur un dispositif interne à la cellule, une jonction entre deux zones de nature différente. Ce que tu dois retenir en Terminale, c'est le résultat : les charges de signes opposés s'accumulent sur deux faces distinctes, ce qui crée une tension, comme entre les bornes d'une pile. Dès qu'un circuit relie ces deux faces, les électrons le parcourent : c'est le courant.
La cellule ne contient donc pas de réserve d'énergie. Tant qu'elle est éclairée, elle fabrique des paires électron-trou et les sépare. Si la lumière disparaît, la production s'arrête.
Anatomie d'une cellule et d'un module
Pour être efficace, la cellule doit laisser entrer la lumière tout en collectant le courant. Plusieurs éléments y contribuent.
Une seule cellule fournit une puissance modeste. Les cellules sont donc souvent réunies dans des modules (panneaux solaires photovoltaïques), selon la puissance recherchée.2 Plusieurs cellules reliées entre elles forment un module, et plusieurs modules regroupés forment une installation solaire.3
Le rôle de la diode
Le mot « diode » intervient à deux niveaux dans ce chapitre : dans le modèle de la cellule, et dans la protection d'un montage avec stockage. Il faut bien distinguer ces usages.
Rendement, puissance et technologies
Toute la lumière reçue ne devient pas de l'électricité. La grandeur qui mesure cette conversion est le rendement.
Pour exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, on peut empiler plusieurs jonctions : on obtient des cellules multi-jonctions, aussi appelées cellules tandem.2 Une cellule tandem superpose deux cellules simples qui absorbent dans des domaines spectraux différents, ce qui améliore le rendement théorique.2
L'intérêt se comprend avec ce que tu sais du gap. Une cellule simple ne profite que des photons d'énergie supérieure à son gap. Une seconde couche, adaptée à un autre domaine du spectre, récupère une part supplémentaire de l'énergie lumineuse.
Quelques matériaux et types de cellules
Type de cellule
À retenir
Silicium
Matériau le plus répandu ; gap d'environ 1,12 eV
CIS, CIGS, CdTe
Autres semi-conducteurs, plus rarement utilisés
Tandem
Deux cellules empilées ; rendement élevé, coût plus élevé
Tandem pérovskite-silicium
Rendement de 18 % atteint
Quelques matériaux et types de cellules · D'après les sources du chapitre.
Usages, coût et limites environnementales
Les cellules remplacent très souvent les piles : elles ont envahi les calculatrices, les montres et de nombreux petits objets.2 Cela fonctionne à deux conditions : l'appareil ne doit pas demander trop d'énergie par rapport à la surface disponible pour la cellule, et il doit y avoir assez de lumière pendant l'usage.2
Un marché mondial du photovoltaïque est né des besoins d'alimenter des systèmes isolés du réseau, comme les satellites, les bateaux ou les caravanes.3 À partir des années 1990, les progrès de fabrication ont fait baisser les prix, ce qui a permis d'envisager, avec divers soutiens de l'État, une production de masse pour le réseau électrique.3
Pour un devoir de physique-chimie, retiens la démarche : une technologie « propre à l'usage » doit aussi être évaluée sur l'ensemble de son cycle de vie. Un argument chiffré, daté et sourcé vaut mieux qu'une affirmation générale.
Méthode : résoudre un problème sur une cellule
Exercices corrigés
Exercice 1 Un photon infrarouge est-il utile ?
★☆☆Environ 8 min
Une cellule au silicium (bande interdite 1,12 eV) reçoit une lumière de longueur d'onde λ=800 nm.
Données : h=6,63×10−34 J·s ; c=3,00×108 m/s ; 1eV=1,60×10−19 J.
Calcule l'énergie d'un photon de cette lumière, en eV.
Cette lumière peut-elle arracher un électron au silicium ?
Indice 1
Convertis d'abord 800 nm en mètres.
Indice 2
Compare l'énergie obtenue à 1,12 eV, après avoir converti en eV.
Voir la correction pas à pas
On écrit la relation : E=λhc.
On convertit : λ=800×10−9 m.
Application numérique : E=800×10−96,63×10−34×3,00×108≈2,49×10−19 J.
Conversion en eV : E≈1,60×10−192,49×10−19≈1,55 eV.
On compare : 1,55eV>1,12eV, donc le photon peut arracher un électron.
L'énergie du photon est d'environ 1,55 eV, supérieure au gap du silicium : la lumière de 800 nm est utilisable. Cohérence : 800 nm est bien inférieur à 1,12 µm.
Exercice 2 Rendement d'un module
★★☆Environ 10 min
Un module photovoltaïque de surface 1,6 m² reçoit un éclairement de 1000 W/m². Il fournit une puissance électrique de 288 W.
Calcule la puissance lumineuse reçue par le module.
Calcule son rendement, en pourcentage.
Le résultat est-il plausible ?
Indice 1
La puissance reçue est le produit de l'éclairement par la surface.
Indice 2
Le rendement est le rapport de la puissance utile à la puissance reçue.
Voir la correction pas à pas
On calcule la puissance reçue : Plum=E×S=1000×1,6=1600 W.
On écrit le rendement : η=PlumPeˊlec.
Application numérique : η=1600288=0,18.
On exprime en pourcentage : η=18%.
On vérifie : le résultat est compris entre 0 et 100 %, donc plausible.
Le rendement du module est de 18 %. Un rendement compris entre 0 et 100 % est cohérent ; le reste de la puissance lumineuse est dissipé ou non absorbé.
Exercice 3 Longueur d'onde limite d'une cellule
★★★Environ 12 min
Une cellule utilise un semi-conducteur dont la bande interdite vaut 1,12 eV.
Données : h=6,63×10−34 J·s ; c=3,00×108 m/s ; 1eV=1,60×10−19 J.
Exprime la bande interdite en joules.
Établis la relation donnant la longueur d'onde maximale λmax des photons absorbés.
Calcule λmax en micromètres.
Une lumière de 1,3 µm est-elle absorbée ?
Indice 1
Un photon est absorbé si son énergie est supérieure ou égale au gap.
Indice 2
Isole λ dans l'inégalité λhc≥Eg.
Voir la correction pas à pas
On convertit : Eg=1,12×1,60×10−19=1,79×10−19 J.
Condition d'absorption : λhc≥Eg, donc λ≤Eghc=λmax.
Application numérique : λmax=1,79×10−196,63×10−34×3,00×108≈1,11×10−6 m, soit 1,11 µm.
On compare : 1,3µm>1,11µm.
Conclusion : le photon a une énergie inférieure au gap, il n'est pas absorbé.
La longueur d'onde limite est d'environ 1,11 µm. Au-delà, les photons n'ont pas assez d'énergie : la lumière de 1,3 µm traverse la cellule sans libérer d'électron.
Quiz
8 questions · correction immédiate · ton score reste sur ton appareil.
Un photon d'énergie supérieure à la bande interdite arrache un électron.2 Dire que l'énergie doit être inférieure est faux : le photon ne suffirait pas. Dire que la longueur d'onde doit être supérieure est tentant, mais l'énergie diminue quand la longueur d'onde augmente : c'est l'inverse qu'il faut.
Une énergie supérieure à 1,12 eV correspond à une longueur d'onde inférieure à 1,12 µm.2 La deuxième proposition inverse l'inégalité. La troisième confond micromètre et nanomètre. La dernière mélange une longueur d'onde et une énergie, qui n'ont pas la même unité.
Sans dispositif supplémentaire, l'électron trouve vite un trou pour se recombiner, et l'énergie du photon est dissipée.2 Un courant ne peut pas naître sans séparation. Et la cellule ne stocke pas l'énergie : elle la convertit en continu.
La cellule se comporte comme une source de courant associée à une diode.2 Une résistance seule ne produit pas d'énergie. Un condensateur seul stocke des charges sans les créer.
La couche antireflet favorise la transmission des photons, le contact en grille laisse passer la lumière, et le gap ajusté permet de produire un maximum de courant.2 Un contact plein sur la face éclairée bloquerait la lumière : c'est justement ce que la grille évite.
Avec un dispositif de stockage, une diode en série est indispensable.2 Sans elle, la batterie pourrait se décharger dans la cellule quand l'éclairement est trop faible. Penser que la diode est facultative revient à oublier ce retour de courant.
La puissance reçue vaut 1000×2,0=2000 W, donc η=300/2000=0,15, soit 15 %. L'erreur tentante est de diviser par la surface seule ou d'oublier de multiplier par 100.
Le tandem a un rendement élevé et une grande plage de sensibilité, mais un coût plus élevé et une réalisation plus complexe.2 Il est donc faux de dire que son rendement est plus faible ou sa sensibilité limitée : ce sont précisément ses atouts.
Les questions qu'on se pose
Pourquoi une cellule photovoltaïque produit-elle du courant continu et pas alternatif ?
Parce que les charges sont séparées de façon permanente vers deux faces opposées : la polarité ne change pas. La cellule délivre donc une tension continue.2 Pour injecter l'électricité sur un réseau alternatif, on utilise en général un onduleur.
À quoi sert la diode dans une installation avec batterie ?
Elle impose le sens du courant. Avec un dispositif de stockage, une diode en série est indispensable.2 Elle empêche la batterie de renvoyer du courant vers la cellule quand celle-ci ne produit plus assez, par exemple la nuit.
Pourquoi toute la lumière n'est-elle pas convertie en électricité ?
Les photons d'énergie inférieure au gap ne sont pas absorbés, et une partie des électrons arrachés se recombine avec des trous en dissipant l'énergie.2 La puissance électrique dépend du rendement de la cellule.2 C'est pourquoi on peut empiler des jonctions pour mieux exploiter le spectre.2
Que peut-on te demander sur ce chapitre au bac ?
Les sujets reposent souvent sur le calcul de l'énergie d'un photon, la comparaison avec le gap, la longueur d'onde limite, le calcul d'une puissance et d'un rendement, et l'interprétation d'un document sur les technologies de cellules. Entraîne-toi aux conversions d'unités (nm, µm, eV, J) : c'est là que se perdent le plus de points.
L'énergie reçue du Soleil est renouvelable, mais la fabrication des panneaux demande de l'énergie grise, dont l'origine est aujourd'hui surtout non renouvelable.3 Il faut donc discuter le bilan sur tout le cycle de vie, en s'appuyant sur des chiffres comme le taux de retour énergétique.3