Panneaux Photovoltaïques : Energie du futur?

Damien Scantamburlo et Valentin Locher, 3M06

Les énergies photovoltaïques Une des solutions du futur

Travail de maturité Proposé par M. Domeniconi Gymnase d'Yverdon, 2011 1

Résumé L'énergie est une ressource vitale pour l'homme. En utilisant sans compter les énergies fossiles, nous avons déjà consommé la majeure partie des ressources naturelles de la planète. L'utilisation du charbon, du pétrole et autres dérivés fossiles ont accéléré la dégradation de la nature et de notre environnement, mettant en péril le fragile équilibre de la Terre. Nous sommes arrivés au point de non-retour. Dans le monde entier, les chercheurs se mobilisent pour trouver de nouvelles solutions durables dans un but de préservation de la planète. Plusieurs projets ont vu le jour: l'utilisation d'huiles végétales en tant que carburant, la géothermie, les éoliennes et le principe des usines « marée motrice », les barrages ainsi que l'utilisation du nucléaire (cette énergie est fortement controversée étant donné qu'à long terme, ses déchets posent un grand problème). Parmi ces diverses solutions, l'une d'entre elles a selon nous un avenir très prometteur : l'énergie solaire. Cette énergie est renouvelable, disponible partout, n'a pas d'influence sur la santé de la planète et ses applications sont nombreuses. La recherche est en pleine expansion, les technologies ne cessent de s'améliorer. L'intérêt pour cette solution est présent dans de nombreux pays. Cela semble être actuellement la plus probable énergie du futur. Ce sujet est « jeune », intéressant et nous portons une réelle curiosité envers ce domaine. A travers ce travail de maturité, nous chercherons à expliquer cet engouement général et ses raisons d'être. Comment une énergie peut-elle être autant prometteuse ? Par quelle voie est-elle applicable ? Quels sont les principes de cette technologie ? Quels sont les progrès envisageables dans le futur ? Notre émission est basée sur un concept simple : une partie théorique appartenant au domaine physique et une autre concernant l'application dans la réalité de cette technologie.

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Tables des matières Table des matières 1 Théorie..............................................................................................................................................5 1.1 Installation photovoltaïque.......................................................................................................5 1.1.1 La cellule photovoltaïque..................................................................................................5 1.1.1.1 La jonction N-P.........................................................................................................8 1.1.2 Le module.......................................................................................................................10 1.1.3 L'onduleur.......................................................................................................................10 1.1.4 Résumé de l'installation...................................................................................................11 1.2 Construction d'une cellule.......................................................................................................12 1.3 Efficacité.................................................................................................................................14 1.3.1 Orientation des panneaux................................................................................................16 1.3.2 Saviez-vous que ?............................................................................................................18 2 Conclusion......................................................................................................................................20 3 Bibliographie..................................................................................................................................21 4 Tables des illustrations....................................................................................................................23 5 Annexes..........................................................................................................................................24 5.1 Rappel de physique.................................................................................................................25 5.1.1 L'atome............................................................................................................................25 5.1.2 Électrons, protons et neutrons.........................................................................................27 5.1.3 Tableau de Mendeleïev....................................................................................................27 5.1.4 Structure d'atomes de de molécules................................................................................28 5.1.5 La notation de Lewis.......................................................................................................29 5.2 Journal de bord........................................................................................................................30 6 Remerciements...............................................................................................................................42

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Introduction Étant meilleurs amis depuis le 1er septembre 1993, date de nos deux naissances communes, nous nous retrouvons dans les bâtiments du Cessnov au Gymnase d'Yverdon-les-Bains. Fils d'informaticien et d'ingénieur en mécanique, nous avons vite remarqué que nous partagions la même passion : les nouvelles technologies. La deuxième année section maturité est bien entamée et la fameuse étape du Travail de Maturité approche. Le choix du sujet est indiscutable tant il semble avoir été conçu pour nous : reconstituer à deux une émission télé connue sous le nom de « C'est Pas Sorcier ». Le principe de présenter un phénomène physique sous forme ludique par le biais d'une vidéo animée nous motive énormément. Ayant choisi un sujet particulièrement actuel et prometteur pour notre avenir, c'est avec grand plaisir que nous vous ferons découvrir le domaine du photovoltaïque avec un montage vidéo.

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1 Théorie 1.1 Installation photovoltaïque 1.1.1 La cellule photovoltaïque La cellule photovoltaïque correspond à l'unité de base d'un panneau solaire. On peut faire l'analogie d'une installation photovoltaïque suivante : – Une cellule solaire correspond à une unique pièce de puzzle, soit l'unité de base. – L'ensemble formé par ces cellules représente le puzzle au complet. Une simple pièce de puzzle a une utilité très réduite, c'est pourquoi on l'assemble à d'autres afin d'obtenir quelque chose de plus concret. Une fois matérialisées, les cellules photovoltaïques sont branchées en série pour pouvoir créer ce que l'on appelle le module. Voici une coupe schématique tridimensionnelle de la cellule que nous allons étudier : Illustration 2:Zoom 50 x

Illustration 1: Coupe cellule photovoltaïque On observe une sorte de « construction sandwich » qui a pour première couche : a) une grille de contact permettant de conduire un courant électrique. On observe parfois la présence d'une couche antireflets au même niveau que la grille de contact. Son utilité est d'optimiser la quantité de rayons solaires absorbés. Sous cette grille se trouvent : b) une plaque de silicium « type-n » c) la « jonction n-p » d) une deuxième plaque de silicium « type-p » e) une dernière plaque de contact similaire à la plaque a). On note aussi la présence de rayons de soleil qui arrivent sur la cellule. Ces différentes parties seront traitées plus tard. Définissons d'abord les deux couches de silicium : 5

« Type-n » : On caractérise cette couche par la présence d'électrons en excès au niveau moléculaire. Pour ce faire, on combine le silicium avec du phosphore. Pourquoi? Le silicium (Si) est doté de 4 électrons sur sa dernière couche électronique. En temps normal, les liaisons (covalentes) entre les atomes de silicium sont stables. On peut affirmer cela en se référant à la règle de l'octet. Cette dernière dit qu'un atome peut être considéré comme stable à condition que sa couche de valence soit complète (qu'elle possède huit électrons de valence.) Exemple :

À ce silicium nous ajoutons du phosphore, atome ayant 5 électrons sur sa couche de valence. On dit alors que l'on « dope le silicium au phosphore ». Un des cinq électrons (point rouge sur le schéma ci-dessous) est exclu du partage entre le silicium (Si) et le phosphore (P) étant donné que la couche électronique mise en commun est déjà complète. Par conséquent (en incluant cette notion de surplus d'un électron à notre analyse), on peut affirmer que la charge de cette molécule est négative. Exemple :

L'électron en rouge est appelé « électron libre ». A plus grande échelle, en représentant les atomes de silicium « mélangés » (dopés) au phosphore, le schéma peut être représenté comme cela : Note : On appelle ceci un métal semi-conducteur car c'est un matériau qui a, à la fois des caractéristiques isolantes, et qui offre néanmoins la possibilité faible (mais existante) de créer un courant électrique.

Silicium

Illustration 3: Semi conducteur Type N

Phosphore

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« Type-p » : On caractérise cette couche par la présence d'un trou (manque d'un électron pour compléter la dernière couche de la liaison). Pour cela, on combine le silicium avec du bore. Pourquoi? La logique de construction est la même que celle décrite dans le « Type-n ». La différence est que l'on « dopera » le silicium non pas avec un atome ayant 5 électrons, mais 3 électrons sur sa couche de valence! On utilisera donc du bore (B) qui correspond à ces caractéristiques. La conséquence est que cette liaison est instable, ceci provenant du fait qu'il manque un électron pour compléter la couche de valence (voir la règle de l'octet). Effectivement, après la mise en commun des deux atomes, le nombre d'électrons sur la dernière couche électronique est égal à 7. Exemple : Ce qui provoque l'instabilité

Le point vert correspond au trou, symbolisant l'électron manquant (à l'équilibre entre le silicium et le bore). L'emplacement où cette liaison non-stable peut recevoir un électron se nomme « trou ». Par conséquent (en incluant cette notion de manque d'un électron à notre analyse), on peut affirmer que la charge est positive. A plus grande échelle, le schéma ressemble à ceci:

Silicium

Bore

Illustration 4: Semi conducteur Type P

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1.1.1.1 La jonction N-P Suite à ce bref éclairage, abordons un autre point essentiel : le rapport entre ces deux couches. Précédemment nous avons vu que la couche de type N a une charge contraire à la couche de type P. Autrement dit, la couche de type N peut donner des électrons, tandis que la couche de type P peut en recevoir. Si on connecte ces deux couches, un échange de charges est possible. Ce phénomène apparaît lors de la création du panneau photovoltaïque, en usine. Lors de la mise en contact des deux couches, les électrons libres de la couche de type N vont migrer vers la couche de type P pour se recombiner avec les trous se trouvant dans cette zone. Il existera donc durant la vie de la jonction une charge positive de la région N au bord de la jonction (car c'est le lieu de départ des électrons, c'est de là qu'ils sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (car c'est de là que les « trous » ont disparu).

Illustration 5: Schéma jonction N-P n° 1 Dans l'étape 1, on peut voir que les deux couches ont été mises en contact, un échange important est en train de se produire. Dans l'étape 2, on peut voir que les deux couches ont été triées (une couche avec un surplus d'électron, une autre ayant « des trous »). De plus, la zone qui relie les deux couches, la zone que l'on nomme « jonction NP » a été polarisée. Cette mince couche fait office de frontière, elle évite qu'il y ait une recombination. La jonction NP porte donc deux charges différentes. L'ensemble forme « la Zone de Charge d'Espace », la ZNE en langage courant scientifique. Son principe est le même qu'une diode : le courant ne peut passer que dans un sens. 8

Autrement dit, les électrons ne peuvent passer que de la zone de type P vers la zone de type N; du bas vers le haut. Selon la même logique, les trous ne peuvent passer que de la couche de type N vers la couche de type P. Après la création de cette cellule photovoltaïque, regardons de plus près le fonctionnement du système à la lumière environnante.

•

Lorsqu'un photon, particule de la lumière, heurte la surface du panneau photovoltaïque, il arrache l'électron le plus faiblement lié à un atome de la couche de type N. Ce phénomène se nomme la diffusion inélastique, c'est la diffusion de Compton qui permet que le photon puisse arracher l'électron faiblement lié au système.

•

L'électron étant éjecté de sa dernière couche instable, il va se diriger vers des « trous » pour recombiner avec des atomes pouvant l'accueillir.

•

L'électron va donc migrer vers la couche de type P. Ne pouvant pas passer par la jonction NP (l'effet de la diode), il est obligé de passer par une connectique externe. Il suffit ensuite de placer (par exemple) un dispositif lumineux entre ces deux bornes de transit, dans ce câble, pour profiter du courant ainsi créé.

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Une fois que l'électron a rejoint la couche de type P, il va se diriger à travers la jonction NP pour retrouver son état initial d'instabilité dans la couche de type N.

•

La différence de potentiel entre les deux couches est toujours présente, le phénomène va se reproduire d'innombrables fois en une fraction de secondes sur une longue durée étant donné que les électrons qui ont migré retrouvent leur lieu de départ peu de temps après.

•

La cellule photovoltaïque fournit donc un courant continu.

Illustration 6: Schéma jonction N-P n°2

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1.1.2

Le module

La partie principale étant expliquée, parlons de ce qui forme la majeure partie d'un panneau photovoltaïque : le module. En réalité, c'est simplement un assemblage de plusieurs cellules photovoltaïques qui forment le module. On les relie ensemble par l'intermédiaire de connectiques métalliques conductrices. La construction suit ce schéma :

Illustration 7: Module Note : La puissance d'un panneau solaire dépend de son nombre de cellules photovoltaïques et de leur qualité. Si l'on augmente le nombre de cellules au module, le voltage croît. (Ce qui n'est pas le cas de l'ampérage, qui reste identique.)

1.1.3 L'onduleur L'onduleur est un appareil qui a pour but de transformer une tension électrique continue en alternative. Il est généralement utilisé en électrotechnique dans deux cas distincts : – –

Fournir des tensions et courants alternatifs de fréquences et d'amplitudes variables. Fournir des tensions alternatives de fréquences et d'amplitudes fixes.

Cet appareil est donc utilisé dans le milieu du photovoltaïque car il se révèle très utile pour ce qui est du fonctionnement général des installations solaires.

Illustration 8: Onduleur

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1.1.4

Résumé de l'installation

Illustration 9: Utilisation domestique d'une installation photovoltaïque Voici un schéma représentant l'utilisation domestique d'une installation photovoltaïque. On y retrouve : 1) Le (ou les) module(s) solaire(s) 2) Un régulateur (pour gérer l'approvisionnement énergétique de la batterie, pour stocker l'électricité) 3) La batterie 4) Un onduleur permettant de transformer le courant continu en alternatif, et, suivant le modèle, de jouer le rôle de disjoncteur. 5) Un dispositif lumineux, ne nécessitant pas forcément de raccordement à un onduleur (généralement son utilisation n'est pas contournable). 6) Des gros appareils fonctionnant en partie (ou totalement) grâce à l'énergie du (des) module(s). Note : La plupart des installations domestiques solaires sont connectées aux réseaux nationaux, ce qui permet d'y injecter l'électricité produite en cas de surplus, contre rémunération. Dans ce cas, il n'y a pas besoin d'installer chez soi une batterie et un régulateur (moyen de stockage de l'énergie électrique, point 2 et 3 du schéma domestique). Bien évidemment une cellule photovoltaïque n'a pas pour seule utilité une application dans le domaine domestique! Voici quelques exemples concrets : –

– – –

La cellule peut être utilisée seule : lampe solaire de jardin, calculatrice, chargeur etc. Son utilisation remplace de plus en plus la pile. Centrale solaire photovoltaïque : énergie domestique, entreprise, serveur, etc. Domaine de l'aérospatiale : satellite, module externe de station météorologique etc. Éléments étant non reliés au réseau électrique (bateau, etc.) 11

1.2 Construction d'une cellule Le silicium est pour l'instant le matériau le plus utilisé dans la construction de cellules photovoltaïques. Pour synthétiser du silicium, on a besoin de silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre (on la trouve notamment dans le sable ou parmi l'espèce minérale très recherchée du groupe des silicates qui se nomme le quartz). Il faut donc extraire de la silice : les industriels le font à partir des galets de quartz ou avec de la roche d'origine magmatique ou métamorphique (roches recristallisées à partir de sédiments sous l'effet de la pression, de la température ou du contact avec d'autres roches). Une fois cette matière première acquise, les industriels la transforment en silicium métallurgique. A ce stade, le silicium est pur à 98 %. Pour créer une cellule photovoltaïque, la pureté du silicium doit s'élever à plus de 99,999 %. Cette transformation de précision se fait par diverses techniques industrielles nécessitant une extrême rigueur. Dans le domaine, on parle de purification du silicium. Une fois celle-ci terminée, on compacte le tout dans ce que l'on appelle communément des lingots.

Illustration 10: Lingot Ces lingots sont ensuite envoyés en laboratoire où ils seront découpés en fines lamelles de 200 micromètres d'épaisseur : ces disques se nomment les « wafers ».

Illustration 11: Wafer Après le traitement qui consiste à les enrichir en éléments dopants, les wafers sont métallisés (des rubans en métal sont collés à la surface du wafer et reliés à un contact électrique). C'est seulement à ce stade que l'on peut appeler ce wafer métallisé « cellule photovoltaïque ».Il est important de connaître la notion de silicium amorphe, monocristallin, et polycristallin. Ces trois types de cellules photovoltaïques sont les plus répandues, on les croise dans la vie de tous les jours. La différence entre ces cellules réside dans la structure moléculaire des couches de silicium, selon le type de fabrication.

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Type de cellule

Procédé de construction

Avantages

Désavantages Exemples d'application réelle

Cellule en Lors de la silicium amorphe transformation du silicium, un gaz est produit et ce dernier est projeté sur une feuille de verre.

- L'éclairage peut être très faible ou diffus. - Intégration sur des supports flexibles. - Le coût est moindre. - Résiste à des fortes températures.

- Les performances de la cellule diminuent (-10 à 20 % selon le type de la jonction) au fil des années.

Cellule en silicium monocristallin

A la fin de la transformation du silicium, après avoir fondu, il se forme une plaque de grande dimension. Le tout est découpé en fines tranches pour former des cellules.

- Technique très - Le coût est répandue dans le élevé! monde de l'industrie. - Les cellules sont géométriquement dites pratiques (carré, rectangle)

Cellule en silicium multicristallin

Durant le refroidissement des lingots (après « leur compactage »), il se forme des cristaux. Ceci est la base des cellules en question.

- Les cellules sont géométriquement dites pratiques (carré, rectangle) - Les lingots qui sont produits ont un coût moins élevé que ceux utilisés pour les cellules en silicium monocristallin.

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C'est le cas des montres, des claviers d'ordinateurs ou des calculatrices solaires. On la trouve aussi sur des bateaux, et tout équipement sportif nécessitant une installation solaire. On les reconnaît à leur couleur bleue uniforme. - Généralement sur les toits ou sur les voitures (prototype solaire). - La majeure partie des fermes solaires en possède.

- En cas de - Très faible répandus éclairage ou (toiture). d'un soleil diffus, le rendement est faible.

Il existe aussi d'autres types de cellules photovoltaïques (cellules photovoltaïques organiques, cellule tandem, cellule CIS, cellule III-V, cellules photovoltaïques construites à base de séléniure de cuivre et d'indium, de tellurure de cadmium ou d'autres semiconducteurs etc.), mais ces solutions ne sont pas encore à retenir, étant donné leur inaccessibilité (coût, production), leur rareté ou leur teneur en matière fossile très dangereuse pour l'environnement. Note : Certaines de ces technologies sont utilisées dans le domaine spatial où l'aspect d'efficacité est bien plus important que le coût !

1.3 Efficacité Quand on parle du photovoltaïque, les chiffres sont importants. Depuis de nombreuses années les rendements de ce système ne font qu'augmenter. Pour exprimer l'efficacité d'une cellule, les experts parlent souvent de rendement, de ratio de conversion (ou rendement de conversion) ainsi que de la durée de vie. Le rendement représente l'efficacité d'un système, sa productivité. En mécanique, un rendement représente le quotient de l'énergie obtenue sous la forme désirée par celle fournie à l'entrée du convertisseur. Le ratio de conversion vous informe sur l'efficacité d'un système en fonction de sa surface. La durée de vie d'un panneau solaire est capitale car si elle se révèle être faible, l'amortissement du module n'est pas envisageable. Les constructeurs garantissent une durée de vie de 20-25 ans pour un panneau photovoltaïque. Néanmoins, il faut inclure dans le décompte d'autres facteurs pour être absolument exact : on estime qu'une durée de 2 à 3 ans suffit à l'utilisation d'un panneau photovoltaïque pour amortir le bilan énergétique qu'a nécessité sa construction. Une erreur répandue est de s'arrêter à cette étape dans l'estimation du coût et du rendement écologique d'une installation solaire : les composants externes à un module (onduleur, batterie) ont une durée de vie de 5 ans. Leur remplacement, leur coût, leur construction et leur débarras (les batteries sont encore un problème) constituent des éléments considérables à prendre en compte. C'est dans cette optique que l'on peut comprendre l'influence que l'Etat peut avoir sur les énergies renouvelables, et plus particulièrement dans le domaine du photovoltaïque. Sans ses subventions, l'amortissement est actuellement compliqué.

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Comparons toutes ces données dans un tableau récapitulatif :

Type de cellule

Rendement

Durée de vie

Ratio de conversion

Prix

Cellule en 5à7% silicium amorphe

Moins de 10 ans 60 W/m2 (en extérieur)

Le moins coûteux

Silicium monocristallin

15 à 17 %

Plus de 30 ans

150 W/m2

Procédé le plus coûteux

Silicium multicristallin

15 à 16 %

Plus de 30 ans

100 W/m2

Équilibré (on parle du meilleur rapport qualité/ prix)

Cellule organique

5,00%

Très faible

Faible

Au stade expérimental

Un citoyen normal hésitera souvent entre la solution monocristalline et celle de type silicium amorphe (c'est le prix contre la performance). Dans ce cas, ce tableau peut être décisif :

Silicium cristallin Rendement

Silicium amorphe

++

Comportement en température

++

Fonctionnement si faible luminosité

++

Fonctionnement par temps couvert

++

Fonctionnement si ombrage partiel

++

Stabilité

++

Prix

+

Après la lecture de cette rubrique, on peut affirmer que le choix d'un panneau solaire dépend très fortement de son utilisation (pourcentage de l'énergie totale de la maison par exemple, panneau solaire pliable ou non), des situations météorologiques auxquelles il va être soumis (et donc du lieu) et du type d'ensoleillement (durée, intensité, lumière diffuse ou non).

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1.3.1

Orientation des panneaux

Comme nous le savons, le rendement d'une cellule photovoltaïque est un paramètre primordial. L'inclinaison des cellules par rapport au rayonnement solaire joue un rôle crucial dans le bon fonctionnement de l'installation photovoltaïque. Si ces détails sont négligés, la rentabilité électrique (et par conséquent la rentabilité financière) sera moindre. Cela s'explique de manière très simple : on cherche à obtenir le flux lumineux le plus intense possible. Développons ceci en deux parties : 1) L'orientation : Cela dépend de notre position sur le globe. Il est logique que les cellules doivent être placées perpendiculairement aux rayons du soleil (afin d'obtenir un flux lumineux intense). Au niveau de l'orientation, si l'on se trouve dans l'hémisphère nord, il sera préférable de placer nos panneaux orientés vers le sud afin d'avoir une plus longue exposition au soleil. Bien évidemment, cela sera le contraire si l'on habite dans l'hémisphère sud ! Cela se justifie par le fait que le soleil se lève à l'est et se couche à l'ouest. 2) L'inclinaison : C'est le point le plus important de la mise en service de cellules. On doit ajuster l'inclinaison verticale (soit l'angle entre le sol et le panneau) du module. Ce qui est important de comprendre, c'est que l'inclinaison optimale est propre à chaque région de la planète. Ainsi, on doit prendre en compte la trajectoire du soleil au fil des saisons, effectuer des statistiques, des moyennes. Entre l'hiver et l'été, les variations du rayonnement sont énormes. On bénéficie d'un flux beaucoup plus intense en été dans l'hémisphère nord. C'est pourquoi il faut trouver un bon compromis pour que le système soit rentable durant toute l'année. On aurait tendance à orienter notre panneau de manière parfaite pour l'été, mais attention à ne pas négliger l'ensoleillement hivernal car il peut aussi être d'une grande rentabilité. Note : Actuellement en Allemagne, la nouvelle tendance est de répartir les panneaux sur les faces est et ouest des bâtiments. La raison est simple : il y a des problèmes d'approvisionnement, le pays est obligé d'utiliser inutilement l'électricité produite en surplus à midi et est en manque le matin et le soir. Il y a un problème de répartition.

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On remarquera aussi que certaines régions du globe sont plus favorables que d'autres pour ce type d'installation. En Suisse, nous sommes relativement chanceux. Notre pays peut profiter de longues heures d'ensoleillement sur tout le territoire. En moyenne, on compte environ 1200 kWh de luminosité par m2 sur une année (on note quand même que le Valais et Tessin obtiennent la palme d'or, dominant tous les autres cantons en obtenant en moyenne 200 kWh de plus). Note : L'appellation « kWh/m2/an » signifie que chaque mètre carré reçoit en moyenne une puissance de 1000 watts sur une année. Voici une carte représentant le potentiel de rayonnement solaire moyen pour chaque région de Suisse :

Unité : kWh/m2/an

Illustration 12: Potentiel de rayonnement solaire moyen suisse Il est possible de faire chez soi une approximation de l'ensoleillement de sa région par le biais de logiciels en ligne. L’Union européenne a rendu ces calculs simples grâce à un programme en ligne : JRC. On peut le trouver à cette adresse 1 (ou celle-là 2, tout dépend du type d'informations recherchées). On y apprend par exemple que l'inclinaison optimale d'une installation photovoltaïque à Yverdon-les-Bains est de 34 degrés. D'autres informations sont disponibles : ensoleillement par jour, par mois, moyennes statistiques en fonction de l'emplacement, rendements, calcul de puissance etc. Cet outil est fort pratique et très facile à utiliser. 1 http://iamest.jrc.it/pvgis/apps/radday.php?lang=fr&map=europe 2 http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php#

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1.3.2

Saviez-vous que ?

 Nous sommes tentés d'utiliser des panneaux solaires lorsqu'on sait qu'un champ photovoltaïque de 329 km de côté , soit seulement 1,125 % de la superficie de l'Europe, pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 - 17 % (en 2007) soit 160 kWh/m²/an avec des besoins mondiaux estimés à 17 300 TWh ( chiffres de 2005 ).  Une étude réalisée en 1998 a recensé la surface de toiture convenant à l’exploitation de l’énergie photovoltaïque : sur les 22 km 2 de toitures que comporte le canton, 5,6 km2, (ce qui représente 25% de la surface du lac de Morat) se prêteraient parfaitement à cet usage. L’exploitation de la totalité de cette surface disponible permettrait de produire 560 GWh par an. En prenant également en compte les surfaces considérées comme «bien adaptées», on obtient une production potentielle de 860 GWh par an, ce qui dépasse la production hydroélectrique actuelle! En ce qui concernerait l'éventuel stockage de cette énergie électrique, la Suisse détient deux moyens différents : 1) Le stockage de l'électricité dans des batteries 2) Le turbinage de l'eau en montagne dans les barrages. On utilise l'électricité non utilisée pour transférer de l'eau dans les barrages en altitude (pour ensuite réutiliser ce stockage potentiel pour créer de l'énergie en fin de journée).

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2 Conclusion Notre travail de maturité s'achève. Tous ces mois de recherche, de travail et de remise en question aboutissent à une fin concrète : un film et un dossier conséquent. Notre passion pour les énergies renouvelables ne fait que prendre encore plus d'ampleur! L'énergie photovoltaïque est un sujet vaste qui nous a permis d'acquérir beaucoup de notions : le fonctionnement d'un semi-conducteur, le principe d'une diode, les échanges chimiques dans les métaux etc. C'est un sujet passionnant et le fait d'avoir pu l'expliquer à travers une vidéo nous rend très fiers. Nous espérons que nos efforts, notre implication et notre passion pour ce sujet le rendront captivant et compréhensible aux yeux de tous à travers cette émission. L'heure n'est pas à la nostalgie, laissons échapper un petit message d'avenir pour tous nos lecteurs : le monde est en perpétuel changement, la recherche de nouvelles technologies est un élément primordial pour sauver notre planète. L'énergie photovoltaïque n'est pas encore au point, la création d'un panneau nécessite beaucoup de travail, cela engendre de la pollution. On ne sait pas encore recycler totalement les modules solaires défectueux, les batteries et leur composition posent encore des problèmes. Mais la roue tourne, l'être humain cherche, expérimente et va trouver. Il faut soutenir la recherche, et pas n'importe laquelle : la recherche globale. Combiner l'énergie hydraulique, l'éolienne, les systèmes photovoltaïques ou encore la géothermie : voilà la solution. Et c'est de cette façon que nous arriverons à nous séparer du pétrole, à construire un monde meilleur et plus respectueux envers l'environnement. Il ne faut pas se focaliser entièrement sur les résultats du moment présent, mais plutôt songer à ce qu'ils seront dans quelques années, quand les chercheurs auront eu le temps, l'argent et la possibilité de continuer à travailler par exemple sur les énergies solaires.

« J'ai inventé une lampe de poche qui fonctionne à l'énergie solaire, elle n'a qu'un dernier défaut, elle ne marche qu'en plein soleil. » André Franquin Extrait de la bande dessinée « Gaston Lagaffe »

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3 Bibliographie Pour la réalisation de notre travail de maturité, nous avons dû nous référer à certains sites Internet qui sont les suivants : •

@ChimieBiologie, comment transformer du plomb en or, consulté le 30.04.2011 http://atchimiebiologie.free.fr/transmutaion/transmutaion.htm

•

Blogphotovoltaïque, L'ensoleillement photovoltaïque en Suisse romande, consulté le 30.04.2011 http://www.blogphotovoltaique.com/index.php?2011/01/31/218-l-ensoleillement-photovoltaique-en-suisseromande

•

Cours provenant de l'Université de Neuchâtel, appartenant à Monsieur A. Reina, consulté durant le mois de mai 2011.

•

Dimension Solaire (Sàrl), « L'ensoleillement est-il suffisant dans nos contrées ? », consulté le 30.04.2011 http://www.dimension-solaire.ch/ensoleillement_suffisant.html/

•

Econologie.com, « Trouver l'inclinaison optimale de vos panneaux solaires», consulté le 30.04.2011 http://www.econologie.com/inclinaison-ideale-des-panneaux-articles-3216.htm

•

Ekopédia, les cellules photovoltaïques amorphes, consulté le 23.04.2011 http://fr.ekopedia.org/Cellules_photovolta%C3%AFques_de_silicium_amorphe

•

Energie facteur 4, « Le photovoltaïque : combien ça coûte ? », consulté le 30.04.2011 http://www.ef4.be/fr/photovoltaique/aspects-economiques/

•

Etapenergie, produire de l'électricité avec un capteur solaire, consulté le 23.04.2011 http://www.etapenergie.com/panneau_solaire.html

•

European Commission Research Centre, Solar irradiance database, consulté le 30.04.2011 http://iamest.jrc.it/pvgis/apps/radday.php?lang=fr&map=europe http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

•

Membre-Timc, Microscopie photonique, consulté le 30.04.2011 http://membres-timc.imag.fr/Yves.Usson/COURS/capteurs.pdf

•

Pages personnelles Orange, les différences entre les cellules photovoltaïques, consulté le 23.04.11 http://energies-nouvelles-entreprises.pagesperso-orange.fr/chp4-4.htm

•

Revue des énergies renouvelables Vol. 12 N°2 (2009) 163 – 174 (version internet), consulté le 23.04.11 http://www.cder.dz/download/Art12-2_1.pdf

•

QuestMachine, Cellules solaires photovoltaïques organiques, consulté le 23.04.11 http://www.questmachine.org/article/Cellules_solaires_photovolta%C3%AFques_organiques

•

Technoscience.net, Panneau solaire, consulté le 29.03.2011 http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=7178

•

Wikipédia, cellule photovoltaïque + silicium amorphe, consulté le 23.04.11 http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque

Les illustrations et images qui n'ont pas été conçues par nos soins ont été prises sur ces sites Internet : •

Carte de l'ensoleillement moyen en Suisse : http://www.blogphotovoltaique.com/index.php?2011/01/31/218-l-ensoleillement-photovoltaique-en-suisseromande

•

Cellule silicium amorphe : http://pamiers.soleilentete.com/index.php/solaire-photovoltaique/technologie

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•

Cellule silicium mono et multicristallin : http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque#Cellule_en_silicium_multicristallin

•

Illustration du rappel de chimie : Science et vie Junior numéro 188 (mai 2005), « Voyage au cœur de la matière », p. 48. Science et vie Junior numéro 213 (juin 2007), « L'univers des Quarks aux Galaxies », p.44.

•

Installation photovoltaïque : http://www.neo-energie.info/modules/news/article.php?storyid=2

•

Lingots de silicium : http://www.targray.com/fr/solar/solar-silicon/solar-grade-ingot.php

•

Onduleur pour énergie solaire issu du photovoltaïque : http://www.joliet-europe.com/onduleur_solaires.htm

•

Schéma tridimensionnel cellule photovoltaïque : http://www.terre-finance.fr/Solaire-photovoltaique-recherche-d-optimisation-vtptc-76.php

•

Tableau de comparaison « cellule amorphe-cristallin » : http://fr.ekopedia.org/Cellules_photovolta%C3%AFques_de_silicium_amorphe

•

Tableau périodique des éléments en haute résolution : http://www.daskoo.org/afficher_cours.php?cours_id=369&hist_id=2461&execut=historique

•

Wafer : http://www.overclocking-pc.fr/index.php?option=com_content&view=article&id=68:le-processeur-du-debut-anos-jours&catid=38:dossiers&Itemid=62

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4 Annexes Numéro 1 : Tableau de Mendeleïev :

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4.1 Rappel de physique Voici un petit dossier qui permettra à toute personne n'ayant pas le niveau gymnasial dans le domaine de la structure de la matière de comprendre notre travail de maturité. En effet, nous avons créé cette émission dans l'optique d'expliquer simplement, mais bel-et-bien scientifiquement le fonctionnement d'un panneau photovoltaïque. Nous souhaitons que cette émission soit claire pour tout type de téléspectateur.

4.1.1

L'atome

L'atome : constituant de base de la matière La conception de la matière ne s'arrête pas à ce que l'on voit. Elle est bien plus compliquée que ce que l'on pourrait penser. Là où vous voyez une feuille, un scientifique verra des électrons, des protons et des neutrons. Quand vous entendrez le terme d'atome, un expert vous parlera de noyau. Quand on vous parlera de liberté, vous penserez à Gandhi. Un chimiste pensera à un électron de valence. Il est temps de faire de l'ordre dans tout cela! Commençons par explorer la matière :

Illustration 15: Selle de vélo

Illustration 13: Zoom 50 x

Illustration 17: Zoom 3000 x

Illustration 18: 1'000'000 x 23

Illustration 14: Zoom 200 x

Illustration 16: Zoom 100'000

Illustration 19: Zoom 107 x

Illustration 20: Zoom 1010 x

Illustration 21: Zoom 1015x

Illustration 22: Puis ? A travers ces images, nous avons pu découvrir la composition de la matière. L'étape du zoom « 1010 x » est très importante : l'image que vous pouvez voir correspond à un atome. On peut voir cet élément comme l'unité de base de la matière. L'alphabet est constitué de lettres. Une lettre à elle seule ne peut pas avoir de sens, c'est en les combinant ensemble, en suivant des règles bien précises que l'on peut créer un mot. Ce mot-là peut être combiné à d'autres mots pour créer une phrase. C'est dans cette optique qu'il faut voir le fonctionnement d'un atome : il est la lettre, l'unité de base. L'alphabet de la matière ne contient pas 26 lettres, mais bien 118 éléments différents. Tous sont répertoriés dans le tableau périodique des éléments (dit « table de Mendeleïev »). C'est en combinant différents éléments, différents atomes, que l'on crée une molécule. La molécule correspond au mot, élément construit à partir de l'alphabet. Ces molécules peuvent se lier, se détacher, fusionner et se transformer : ils créent une phrase qui a un sens. Un organe, une feuille, une selle de vélo sont des exemples concrets créés à partir de molécules différentes, elles-mêmes constituées par différents atomes. L'eau est une molécule composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Le sel est une molécule composée d'un atome de sodium et d'un atome de chlore. Le CO2, mot que l'on entend souvent, n'est rien d'autre qu'une molécule de gaz composée 24

d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène. Vous l'aurez compris, un arbre, un vélo, une roche, l'être humain, un cobaye et une poule d'eau ont tous un point commun : ils sont tous constitués d'atomes (le hasard a fait que tous ces éléments contiennent par exemple du carbone).

4.1.2

Électrons, protons et neutrons

Un atome a une structure bien définie : un noyau autour duquel gravitent en orbite des électrons. Le noyau est composé de neutrons et de protons. Les protons ont une charge positive. Les électrons, ces petits éléments « gravitant » autour du noyau, ont une charge négative. Le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Dans le cas d'un surplus d'électrons (et donc de charge négative), l'atome est électriquement non neutre, il est de charge négative. En cas de manque d'électrons, c'est le contraire, l'atome porte une charge positive.

Illustration 23: Schéma d'un atome (non à l'échelle)

4.1.3

L'électron a une masse égale au 1/1836 de celle du proton. La distance séparant le noyau (les protons) des électrons est énorme. Prenez une mouche et placez-la dans un coin d'un stade de football (à l'endroit du « corner »). La distance séparant cette mouche de l'autre coin du stade de football (en diagonale) est proportionnelle à celle séparant en moyenne le noyau d'un atome et ses électrons.

Tableau de Mendeleïev

Comme vu précédemment, il existe un tableau qui répertorie tous les éléments, tous les atomes connus existant dans notre univers. Certains composés figurant sur cette table ne se retrouvent néanmoins pas dans la nature, ils ont été synthétisés artificiellement en laboratoire. Note : voir annexe 1 pour un aperçu du tableau en agrandi.

25

On remarque que ce tableau a des couleurs et une forme particulières : il ne s'agit pas d'un manque de goût de la part de son créateur, mais d'une réelle volonté de rendre ce tableau compréhensible et accessible à tous. Les couleurs nous donnent des informations sur la nature du composé : type de métaux, état (liquide, gaz etc.) et bien d'autres informations. Les numérotations des colonnes et des lignes donnent des informations de structure (nombre d'électrons sur la dernière couche de l'atome, etc.). Il est important de comprendre que chaque case représente un atome différent. L'abréviation du nom de l'atome est disponible en gras : BR = brome Na = sodium

4.1.4

Structure d'atomes et des molécules

En chimie, la compréhension et l'interprétation de certains atomes et certaines molécules s'avèrent parfois compliquées. C'est pourquoi un chimiste, Monsieur Lewis, a inventé une méthode pour expliquer ce charabia par le biais de petites illustrations en deux dimensions. C'est une solution très simple qui permet de comprendre rapidement de quoi on parle, dans la mesure où la chimie que l'on veut représenter est simplifiée. Comment peut-elle être simplifiée à travers des dessins? Rappelons qu'une molécule est constituée d'atomes. Petit exemple : 1) L'eau (H2O) est constituée de deux atomes d'hydrogène et un d'oxygène. 2) L'éthane (C2H6) est constitué de deux atomes de carbone et six d'hydrogène. Chaque atome en question possède des couches dites électroniques. La première couche est appelée « K », la deuxième « L » et la troisième « M ». (La logique veut qu'il y en ait encore plus avec la même récurrence dans l'appellation.) Chaque couche a ses propriétés : elles peuvent contenir un certain nombre d'électrons avant d'être dites « pleines ». La couche : K (1) peut contenir 2 électrons L (2) peut contenir 8 électrons M (3) peut contenir 18 électrons Il existe une formule simple pour calculer le nombre d'électron sur la couche « n » : 2 x N2

Illustration représentant ceci : - en rouge, le noyau - en bleu, les électrons

Illustration 24: Propriétés des couches 26

Prenons un exemple : L'atome d'oxygène. Ce dernier est constitué de 8 électrons. Il sera représenté sous cette forme d'illustration : On observe que sa couche : - L contient 2 électrons - K contient 6 électrons Illustration 25: Atome d'oxygène Introduisons maintenant la notion de couche de valence et électron de valence. La couche de valence est en fait la dernière couche d'un atome qui contient des électrons. Les électrons présents dans cette couche sont appelés « électrons de valence ».

4.1.5

La notation de Lewis

Comme expliqué auparavant, cette notation est très simple dans la mesure où l'on va représenter les atomes en deux dimensions en les caractérisant avec leur symbole et leurs électrons de valence. Note: Les électrons de valence sont illustrés par des points noirs autour du symbole. Exemple avec l'atome d'oxygène :

Puis avec l'atome d'hydrogène :

Imaginons maintenant que nous aimerions représenter la molécule « H2O » : Marche à suivre : 1) Écriture des trois atomes (de la même forme que l'exemple précédant) : 2) Les liaisons qui s'établiront entre ces deux seront représentées par un trait que l'on tirera depuis l'électron du H à celui du O : Note : C'est une mise en commun que font les deux atomes afin de pouvoir compléter leur dernière couche électronique. En effet, on remarque que l'hydrogène a bien 2 électrons sur sa dernière couche (K), et l'oxygène 8 sur sa dernière couche (L) après ce partage d'électrons. 3) La notation finale sera de cette forme (on simplifie le trait rouge) : À ce stade vous pouvez représenter n'importe quel atome ou molécule en suivant la même logique que celle appliquée jusqu'à présent. 27

4.2 Journal de bord 

Début 2011 Le sujet de notre « TM » est choisi : « C'est Pas Sorcier ». C'est avec beaucoup de motivation que nous abordons ce travail. Nous décidons de faire l'acquisition d'une caméra haute définition de poche, la « PlaySport » de chez « Kodak ». Nous nous procurons tous les accessoires.



Février 2011 Après avoir hésité entre quelques sujets (notamment la dynamique des fluides, mais qui se révélait trop compliquée à comprendre et à expliquer) nous validons notre choix qui concerne les énergies renouvelables, plus précisément le photovoltaïque. Très tôt nous rédigeons divers documents et prenons un peu d'avance par rapport au « planning » que les professeurs nous avaient fourni (notamment le plan de travail, ainsi que la bibliographie).



Mars 2011 Une grosse échéance est prévue pour le 15 mars : un « film test » que l'on doit rendre afin de faire le point sur nos compétences de montage vidéo. Nous sommes particulièrement contents du résultat. Le logiciel 3D que nous utilisons (Adobe After Effect CS5 Extended) fonctionne à merveille et le résultat est correct. Malgré quelques problèmes au niveau du son, le rendu final avec incrustations vidéos dans des calques 3D est réussi. Voici un petit aperçu du programme que nous utilisons au quotidien :

Illustration 26: Aperçu général d'Adobe After Effect 28

L'envie de prendre de l'avance est toujours au rendez-vous. Le 29 mars nous avons à rendre des scénarios, des descriptions de maquettes et une bibliographie complète. Mais à cela nous décidons d'ajouter l'entier de la théorie, ce qui nécessite un investissement personnel particulièrement grand. Nous créons un dossier comportant 14 pages de théorie sur le photovoltaïque, 8 pages de rappel de chimie afin de pouvoir bien comprendre la première partie du dossier, 3 pages avec certains de nos schémas 3D (réalisé avec Google SketchUp), ainsi que 2 pages de bibliographie. Notre travail de maturité se déroule Jusqu'à présent, aucun problème à déplorer.

comme

nous

l'avions

prévu.

En quoi prendre de l'avance nous est particulièrement important ? Avoir pris une telle avance nous a permis de nous focaliser sur la fin de notre année scolaire. La deuxième de gymnase étant relativement exigeante, nous avons pu ainsi travailler correctement et assurer de bonnes notes afin d'avoir un bulletin final satisfaisant.



Mai 2011 Un mardi après-midi, nous recevons la correction de notre fameux dossier. Le maître responsable (M. Domeniconi) nous exprime son contentement par rapport au travail effectué. Il va de soit que nous devons relire, corriger et préciser quelques éléments. La partie « théorie » notamment n'est pas totalement terminée et certains doutes subsistent.



Juin 2011 Nous décidons de nous informer auprès de professionnels pour pouvoir confirmer notre théorie. Effectivement deux grands doutes subsistent : le sens de déplacement des électrons (par la connectique, ou en passant par la jonction NP), ainsi que la direction du champ électrique. Nous contactons Monsieur Arnaud Reina, industriel travaillant à la célèbre firme suisse implantée à Yverdon-les-Bains, « Flexcell ». Celui-ci ne peut que nous rappeler le fonctionnement global d'une cellule photovoltaïque. Malheureusement, nos questions ne trouvent pas toutes des réponses. Ce sujet est vaste, complexe et demande énormément de notions (mécanique quantique, physique des semiconducteurs etc.). Pour nous aider, il nous prête un dossier qu'un des ses professeurs à l'université de Neuchâtel lui avait donné comme support de cours. Toute la technologie photovoltaïque est résumée à l'intérieur.

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Nous nous empressons de scanner les pages qui nous intéressent (les tests en laboratoire ou les comparatifs de couches multiples ne nous intéressent pas par exemple), nous effectuons 24 numérisations. Après avoir lu ce dossier, la matière que nous traitons semble plus claire. Pour continuer nos recherches, nous ne négligeons pas Internet. Malgré le risque de tomber sur des données erronées, nous consultons des cours de rattrapage sur le photovoltaïque disponibles en ligne, des études publiées sur les portails des universités, des articles écrits par des chercheurs ou encore des forums de physiciens répondant gratuitement aux questions (forum « Futura science », le niveau y est relativement élevé). Après « recoupement » des informations, un doute subsiste toujours : la direction du champ électrique. Nous nous rendons donc à l'exposition publique de Neuchâtel sur le photovoltaïque. C'est une grande halle pleine de stands informatifs, où tous les leaders du marché ou de la recherche se retrouvent. Chaque stand retient notre attention. Nous commençons par prendre des photos des tableaux de théorie disponibles sur les stands des chercheurs, nous profitons de l'occasion pour nous renseigner à propos des types d'entreprises disponibles sur le « marché solaire suisse ». Nous découvrons la nouvelle Toyota totalement électrique. La partie la plus importante est que nous avons la possibilité de parler à deux professionnels. Nous leur posons notre question. Le premier a de la peine à nous expliquer (il était suisse-allemand), le deuxième nous éclaire sur le sens de direction des électrons, mais il est vrai qu'ils ne parviennent pas totalement à cerner notre question. Il y a tellement de notions différentes dans ce domaine que même les personnes travaillant dans le milieu admettent être parfois perdues.



Juillet 2011 L'envie d'avancer dans notre projet est grande, mais nos programmes de vacances sont extrêmement différents. Les six premières semaines, il nous est impossible de nous retrouver pour travailler. Nous vouons donc notre dernière semaine de vacances au travail de maturité. De la sorte, nous pouvons chacun passer de bonnes vacances et revenir fin prêts pour terminer notre émission. Notre théorie est complète, nous avons actualisé notre dossier avec les nouvelles connaissances que nous avons acquises. Bien que la présentation de notre dossier ne soit pas parfaite, nous avons assez d'informations pour commencer à filmer.

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

Lundi 22 août Début du tournage. Nous décidons d'enregistrer à nouveau l'introduction (pour des soucis de son), d'améliorer notre « Studio-maison » et de raccourcir la partie où nous avons monté des séquences vidéo du téléjournal. Nous avons opté pour la technique de « l'écran vert » lors du tournage, technique communément appelé « Green Screen » dans le monde du montage vidéo. Explication : Dès le départ, nous nous sommes mis d'accord sur le fait que toutes nos séquences devront être filmées dans le style « Studio ». Éclairage central, légère surbrillance arrière, pas d'ombre, fond blanc sans taches. Malheureusement nous n'avons ni les moyens, ni la possibilité de tourner dans un studio de professionnel. Cela ne nous arrêtera pas : nous décidons de tourner devant un écran vert. Un procédé informatique sera ensuite appliqué aux séquences vidéo pour « détourer », isoler le personnage qui est placé devant le fond monochrome. Le nom de l'effet que l'on attribue à ce type de technique se nomme « Keylight » dans les suites Adobe, et « Chroma Key » dans les suites logicielles de Sony. Le principe est simple : l'ordinateur reconnaît tous les pixels verts de l'image, les supprime, et cela permet d'isoler le personnage. Bien sûr, il existe plusieurs types de vert dans la même image : les teintes, la saturation, le contraste et la luminosité varient continuellement. Il s'agit donc de bien maîtriser l'éclairage de la pièce, de filmer sur un fond ayant une peinture de haute qualité (reflétant très peu la lumière), de ne pas mettre des habits verts, d'avoir une caméra filmant en haute définition et de se sentir très à l'aise avec le logiciel professionnel « Adobe After Effect ». Une fois ces points respectés, il suffira de placer le personnage (numériquement isolé) devant le fond que nous souhaitons. La manœuvre est compliquée mais la liberté qu'elle offre est sans limite. C'est d'ailleurs pour cette raison que nous avons tant de plaisir à travailler sur ce programme (contrairement aux logiciels « préconçus » dans le style « iMovie » ou « Windows Movie Maker » qui n'offrent que des solutions « déjà faites »). Nous commençons donc à filmer.

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

Mardi 23 août Nous travaillons toute la journée sur deux ordinateurs différents. Le premier est un HP (Hewlett Packard) portable, puissant et offrant une capacité de calcul élevée. Il est principalement utilisé comme support pour lire les textes, enregistrer nos voix, écrire et rédiger notre théorie ainsi que les scripts, créer les schémas (une très grande quantité d'images présentes dans notre travail de maturité ont été modélisées par nous-mêmes) et finalement de travailler sur « Photoshop CS5 Extended ». Durant cette journée du 23 août, nous rédigeons toute la matinée les textes que nous allons dire devant la caméra l'après-midi. Après avoir mangé et repris des forces, nous nous coiffons, mettons nos plus belles chemises et commençons le tournage. Silence dans la maison, barre de spot lumineux au plafond réglée avec précision, la concentration règne. Pour des raisons d'efficacité, nous optons pour la technique du prompteur. L'ordinateur principal calcule à l'aide d'un logiciel le texte à afficher à l'écran, comme un prompteur utilisé à la télévision. A l'aide des ondes Wireless environnantes, nous envoyons les données à afficher sur l'ordinateur portable qui est lui aussi connecté en réseau (grâce à une adresse IP bien définie). Cela donne l'impression que l'on regarde le téléspectateur (la caméra étant fixée grâce à un trépied près de l'ordinateur portable faisant office de prompteur). Nous essayons de donner une atmosphère sérieuse à l'émission, tout en ajoutant si besoin est des séquences un peu plus humoristiques pour « réveiller » le téléspectateur (si l'envie lui prenait de s'endormir durant le visionnement de notre émission...).

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

Mercredi 23 août Un jour de plus au compteur. La matinée commence très fort, nous assemblons de plus en plus d'images, nous découpons une trentaine de photos sur « Photoshop ». Nous insérons les fichiers images « .PNG » dans notre film. Ce type de fichier est très intéressant notamment pour sa capacité à gérer la fonctionnalité de transparence. C'est un élément très utile pour le montage vidéo. Cela permet d'avoir un rendu final beaucoup plus impressionnant. A part le montage vidéo, nous décidons d'aller au centre-ville pour interviewer des passants. Nous imaginons que cela donnera une dimension plus « réelle » à ce travail.Cette étape fut particulièrement intéressante dans le sens où nous avons pu constater le niveau des connaissances des gens au sujet du photovoltaïque. Autre élément mineur de la journée mais tout aussi important que le reste : les grillades à midi chez un ami. Comme on dit souvent : « Après le travail, le repos ! » C'est un aspect à ne pas négliger. Cela fait deux jours que nous travaillons de 8h.00 jusqu'à 19h.00 en ne faisant qu'une pause à midi de 45 minutes pour manger. L'après midi, nous remarquons qu'il y a un point essentiel absent dans notre montage : la musique. La musique de fond est très importante, elle permet de plonger le téléspectateur dans une ambiance particulière et de le captiver. Nous envisageons donc la recherche de musiques de fond sur Internet. La journée s'achèvera dans la bonne humeur, comme à notre habitude! La conclusion est que notre travail avance bien, et surtout que nous prenons plaisir à le faire. Nous réalisons que d'autres étudiants n'ont pas la même chance que nous de pouvoir travailler sur un projet autant intéressant.



Jeudi 24 août Le montage se poursuit. Le tout commence vraiment à prendre forme, le projet se précise. Maintenant, nous avons une vraie vision d'ensemble de notre travail. C'est une grande satisfaction de voir notre projet aboutir gentiment. Ce dernier étant séparé en plusieurs parties que nous avons tournées indépendamment, nous remarquons qu'il ne reste plus énormément d'étapes. La dernière grosse partie est filmée : la théorie. Nous remarquons que nous avons tourné une scène avec des erreurs, nous rectifions le tir rapidement. C'est la première « perte de temps » que nous avons connue. Cela aura duré environ 2 heures, durée relativement négligeable pour un travail qui s'effectue sur une demi année. C'est aussi la première fois que nous faisons une sauvegarde de sécurité pour nos documents, chose qui aurait dû être faite bien avant. Nous avons de la chance que nos disques durs ne nous aient pas laissés tomber en cours de route. 33

Voici quelques photos de nos « conditions de travail » :

Illustration 27: Workstation 1

Illustration 28: Workstation 2

Illustration 29: Workstation 3

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Voici quelques captures d'écran de notre logiciel de montage montrant des projets. 1) La « TimeLine » : (celle des premières minutes de la vidéo d'introduction). La timeline représente littéralement « la ligne du temps ». En y glissant à l'intérieur une vidéo, nous avons la possibilité de régler les caractéristiques temporelles de la séquence (apparition, disparition etc.). C'est une sorte de liste s'étalant dans le temps où tous les éléments visuels sont répertoriés. Bien évidemment d'autres outils permettent de contrôler les calques et de modifier des vidéos, mais la Timeline répertorie toutes les actions, c'est l'environnement principal pour la programmation. Chaque ligne de couleur représente une séquence vidéo. Nous avons la possibilité depuis cet endroit de gérer le timing. Nous pouvons aussi avoir un aperçu de chaque fonction (préalablement définie, comme le « Keylight » par exemple) attribuée à la séquence. C'est d'ailleurs depuis ici que nous gérons l'opacité des calques vidéos qui sont superposés (il faut s'imaginer que c'est une sorte de « patchwork »). C'est grâce à cette fonction que nous avons la possibilité de faire des transitions agréables à regarder.

Illustration 30: Timelime AE Sachant que la timeline a une arborescence similaire à « l'explorateur Windows», nous commençons à peiner en matière d'assemblage de fichiers. Il faut se rendre compte que chaque minute de film contient environ une dizaine de séquences différentes qui ont, chacune, des paramètres bien définis. 2) Voici un aperçu de la méthode de clonage que nous avons utilisée : en « A » on remarque que les deux calques vidéos sont différents. Après synchronisation des images et en utilisant la technique des « masques de soustraction », on peut voir (en « B ») que l'image paraît réelle, l'illusion est totale.

Illustration 32: Aperçu Adobe AE no 2

Illustration 31: Aperçu Adobe AE n° 1 35

3) Dernière capture d'écran montrant la gestion de calque en trois dimensions. Lors de notre introduction, nous avons simulé un déplacement de caméra virtuel dans un univers tridimensionnel que nous avons préalablement conçu.

Illustration 33: Adobe AE



Vendredi 25 août Bien que nous nous soyons habitués à ce rythme de travail, nous ressentons quand même les effets de la fatigue. Commençant notre journée seulement à partir de 10h30, nous nous empressons de tourner les dernières séquences devant l'écran vert. Nous avons prévu de monter aux Diablerets afin d'obtenir un témoignage professionnel provenant de Monsieur Favre, constructeur de chalets. Une organisation redoutable est nécessaire pour terminer notre film ce week-end car nous devons emporter les ordinateurs avec nous ainsi que chaque fichier dont nous aurons besoin (image PNG, séquences vidéos, etc). Pourquoi prendre autant de données? La raison est simple : en montagne, il n'y aura pas de réseau Internet.

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Vendredi 6 août Cette journée entière sera consacrée à l'élaboration d'un menu DVD. Dans un premier temps, nous décidons de créer un menu avec Adobe Encore DVD. Après quelques essais, nous remarquons que la liberté est grande, mais les possibilités offertes ne correspondent pas vraiment à nos envies. Nous prenons la décision d'élaborer nous-mêmes notre menu. Tout d'abord, nous réfléchissons au style que notre menu devra prendre. Notre émission est basée sur une technologie nouvelle, qui a un réel avenir. Un menu DVD futuriste nous paraît adéquat. Étant tous les deux passionnés par l'informatique, voilà notre concept : simuler le démarrage d'un système d'exploitation de l'avenir lors de l'introduction du DVD dans la platine de salon. Le déroulement de l'action devra suivre ces étapes : - Chargement de Windows 9.1 - Chargement du bureau - Effets visuels complexes futuristes - Apparition des deux menus - Lecture d'une piste audio en attendant le choix du téléspectateur - Apparition d'une visualisation audio durant la lecture de la musique Tout ce projet est modélisé dans « Adobe After Effect CS5 ». Une fois fini, nous compilons le film dans un format sans perte. Lorsque l'émission sera terminée, il suffira à l'aide du logiciel « Magix Video Deluxe DVD » de rajouter (dans le chargement du menu DVD élaboré) les boutons « lecture » pour que le tout soit interactif. Un grand avantage de ce logiciel est qu'il dispose des codecs (code Blu-ray, code DVD « HD » etc.) nécessaires à la compression de notre film (pour le graver sur un support). Notre choix est fait, le menu est établi, il est lisible par toutes les platines.

Illustration 34: Magix Deluxe 37

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Samedi 27 août La vidéo a été rectifiée et améliorée au niveau visuel plusieurs fois. Chaque jour quelques détails sont corrigés, mais il reste un élément important à analyser : le son. Effectivement, les différentes séquences vidéos n'ont pas toutes la même intensité sonore. Certains passages font « grésiller » les hauts-parleurs, d'autres obligent le téléspectateur à augmenter le volume au cours de la lecture du film. Nous optons pour cette solution : nous traitons grossièrement le son dans notre logiciel de montage (nous égalisons approximativement les intensités sonores) et nous exportons le fichier son dans un format sans perte (le format « waw » qui ne bénéficie d'aucune compression comparée au « mp3 » par exemple). La suite est complexe : nous traitons les données « audio » dans le logiciel de Adobe spécialisé dans le traitement sonore : Adobe Audition (plus précisément : Adobe SoudBooth CS5). Tout d'abord, nous égalisons le son. Ce procédé se nomme « compression ». Le principe est le suivant : nous configurons un seuil limite (threshold) au-delà duquel la compression devra agir. Le compresseur du logiciel va donc réduire le niveau du signal si l'intensité sonore (en décibels) excède le seuil choisi. De plus, d'autres facteurs sont à prendre en compte : compression globale, perte de sonorité originale, algorithme de calcul etc.

Illustration 35: Adobe Audition CS5  Nous procédons ensuite à une normalisation. Le principe est simple : à partir d'une certaine hauteur d'ondes (car le son est une onde, et dans le logiciel de montage plus une onde est élevée, plus elle est forte), nous décidons d'imposer une limite. Cela évitera que le volume sonore, à certains moments de la séquence, puisse dépasser le seuil de réponse sonore du système audio, ceci évitant une saturation du son. Dernière étape : la suppression du bruit. Notre micro, lors des enregistrements, a capté des sons parasites (ce qui est totalement normal). N'ayant pas de table de mixage, le problème n'ayant pas pu être réglé en temps réel avec une configuration adéquate des niveaux de son, nous sommes obligés de passer par le logiciel « audacity » (qui est gratuit). Nous prenons le profil du bruit, des parasites, et procédons à la suppression générale de ce bruit de fond désagréable dans toute la séquence. Le résultat nous convient. Contre toute attente, nous remarquons que la bande sonore obtenue n'aura pas besoin de traitement « amplificateur ». Le son est bien assez fort, les ondes sont d'une intensité presque égale, nous avons réduit le bruit (de fond), tous nos objectifs ont été atteints.

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Lundi 29 août Les dossiers écrits (journal de bord et le dossier de la théorie) ont été lus et relus. Des détails ont été ajoutés, le tout est corrigé, la partie écrite est terminée. Au niveau de la vidéo, c'est presque la même chose. Il nous reste à compiler le film dans le bon format (c'est la partie encodage) et à graver le tout en utilisant le projet du menu « Magix » créé précédemment. Cela peut paraître facile, mais l'encodage est une des parties les plus complexes. Tout d'abord, il faut définir le support pour graver le film. Un DVD « Blu-ray » serait trop récent. Nous optons donc simplement pour du DVD « classique ». Ce type de disque est encore très répandu : une grande capacité de stockage, une vitesse de lecture élevée, de bons formats de compression acceptés, voilà notre solution. Nous optons pour le format vidéo « H.264 » ou MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding). Ce format dernière génération obtient les meilleurs résultats de qualité visuelle, il est reconnu par toutes les platines de salon, et même les ordinateurs peuvent le lire (le conteneur du format vidéo et son dans ce cas se nomme « mp4 », un format très répandu). Nous configurons le débit, le taux de compression et le stockage alloué à la bande son. Le logiciel « Magix » est prêt à encoder le film qui sera produit par Adobe After Effect (film non compressé, c'est-à-dire sans perte). Et c'est parti : Adobe After Effect crée le film dans le format « avi », il pèse 300 gigas. La durée de compilation a été de 4 heures. Magix encode le film pour qu'il puisse être contenu sur le DVD, code le menu et lie les différents éléments sur le support. La durée d'encodage a été de 6 heures. Le film est terminé, le DVD gravé, le menu opérationnel, la partie écrite terminée, il ne reste plus qu'à aller fêter ça!

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5 Tables des illustrations

Index des illustrations Illustration 1: Coupe cellule photovoltaïque........................................................................................5 Illustration 2:Zoom 50 x.......................................................................................................................5 Illustration 3: Semi conducteur Type N................................................................................................6 Illustration 4: Semi conducteur Type P................................................................................................7 Illustration 5: Schéma jonction N-P n° 1..............................................................................................8 Illustration 6: Schéma jonction N-P n°2...............................................................................................9 Illustration 7: Module.........................................................................................................................10 Illustration 8: Onduleur......................................................................................................................10 Illustration 9: Utilisation domestique d'une installation photovoltaïque............................................11 Illustration 10: Lingot.........................................................................................................................12 Illustration 11: Wafer..........................................................................................................................12 Illustration 12: Potentiel de rayonnement solaire moyen suisse.........................................................17 Illustration 13: Zoom 50 x..................................................................................................................23 Illustration 14: Zoom 200 x................................................................................................................23 Illustration 15: Selle de vélo..............................................................................................................23 Illustration 16: Zoom 100'000............................................................................................................23 Illustration 17: Zoom 3000 x..............................................................................................................23 Illustration 18: 1'000'000 x.................................................................................................................23 Illustration 19: Zoom 107 x................................................................................................................24 Illustration 20: Zoom 1010 x..............................................................................................................24 Illustration 21: Zoom 1015x...............................................................................................................24 Illustration 22: Puis ?..........................................................................................................................24 Illustration 23: Schéma d'un atome (non à l'échelle)..........................................................................25 Illustration 24: Propriétés des couches...............................................................................................26 Illustration 25: Atome d'oxygène........................................................................................................27 Illustration 26: Aperçu général d'Adobe After Effect.........................................................................28 Illustration 27: Workstation 1.............................................................................................................34 Illustration 28: Workstation 2.............................................................................................................34 Illustration 29: Workstation 3.............................................................................................................34 Illustration 30: Timelime AE..............................................................................................................35 Illustration 31: Aperçu Adobe AE n° 1...............................................................................................35 Illustration 32: Aperçu Adobe AE no 2..............................................................................................35 Illustration 33: Adobe AE...................................................................................................................36 Illustration 34: Magix Deluxe............................................................................................................37 Illustration 35: Adobe Audition CS5..................................................................................................38

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6 Remerciements Nous tenons à remercier chaleureusement les maîtres qui nous ont accompagnés durant ce travail de maturité. Nous soulignons les bienfaits de leurs conseils précieux, qui nous ont permis de réaliser l'ensemble du travail dans d'excellentes conditions. Nous saluons par ailleurs monsieur Favre domicilié aux Diablerets dont les explications sur le photovoltaïque nous ont été fort utiles. Nous remercions aussi nos familles qui nous ont soutenus et encouragés.

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