Par Chris Deziel | Mis à jour le 30 août 2022
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Les panneaux solaires sont essentiellement des réseaux de cellules photovoltaïques qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Même si les panneaux commerciaux utilisent du silicium dopé, il est à la fois éducatif et impressionnant de construire ses propres cellules à partir de matériaux du quotidien. Avec une feuille de cuivre, un peu d'eau salée et une bouteille transparente, vous pouvez générer un courant mesurable à partir de la lumière du soleil, suffisant, lorsqu'il est combiné en série, pour charger une batterie ou allumer une petite ampoule.
Lorsque Heinrich Hertz a observé pour la première fois l’effet photoélectrique, il a travaillé avec des plaques métalliques – souvent du cuivre oxydé – car les plaquettes de silicium n’étaient pas encore disponibles. Le cuivre oxydé, plus précisément l'oxyde cuivreux (Cu₂O), se comporte comme un semi-conducteur. Lorsqu’ils sont immergés dans un électrolyte et exposés à la lumière, les électrons sont excités et s’écoulent du cuivre vers la solution environnante. Une plaque de cuivre propre sert d'anode, tandis que la plaque oxydée agit comme cathode, créant une différence de tension qui entraîne le courant à travers un circuit externe.
Commencez avec environ un demi-pied carré de solin en cuivre, que l'on peut trouver dans la plupart des quincailleries. À l'aide de cisailles à ferblantier, coupez la feuille en deux morceaux égaux. Lavez les deux pièces avec de l'eau et du savon pour éliminer toute graisse ou résidu.
Placez une feuille sur le brûleur d'une cuisinière électrique, en vous assurant qu'elle recouvre la surface. Réglez la chaleur à son réglage le plus élevé et observez le changement de couleur :d'abord s'éclaircissant, puis s'assombrissant sous la forme d'une fine couche d'oxyde cuivrique (CuO). Laissez le cuivre atteindre un aspect noir et continuez à chauffer pendant 30 minutes supplémentaires. Éteignez le feu et laissez la plaque refroidir sur le brûleur.
Au fur et à mesure que la plaque refroidit, le cuivre et l'oxyde cuivrique rétrécissent à des rythmes différents, provoquant l'écaillage du revêtement noir. Une fois l’assiette complètement refroidie, brossez délicatement les flocons qui se détachent. Sous la couche en paillettes se trouve une bande rouge d’oxyde cuivreux :il s’agit de la couche semi-conductrice essentielle au fonctionnement de la cellule. Ne supprimez pas cette couche rouge.
Utilisez une bouteille en plastique transparent d'un litre comme récipient. Coupez la bouteille près du milieu, retirez le haut et ouvrez le fond pour qu'elle devienne un plateau peu profond. Pliez la feuille de cuivre chauffée en demi-cercle et placez-la à l'intérieur de la bouteille de manière à ce qu'elle repose contre un côté, le côté oxydé étant tourné vers l'extérieur. Répétez avec la feuille de cuivre non chauffée, en la positionnant du côté opposé. Assurez-vous que les plaques ne se touchent pas.
Dans un autre verre, dissolvez deux cuillères à soupe de sel de table dans environ deux tasses d'eau tiède. Versez la solution saline dans la bouteille en la remplissant environ aux ¾. Le dessus des plaques de cuivre doit rester au-dessus du liquide, ce qui vous permet d'attacher des pinces crocodiles.
Sortez la cellule à l'extérieur et placez-la sur une surface plane, en orientant la plaque oxydée vers la lumière directe du soleil. Connectez un multimètre aux plaques à l'aide de pinces crocodiles. Réglez le compteur pour lire les microampères (µA). En plein soleil, le compteur doit enregistrer entre 33µA et 50µA. Mettez le compteur en mode tension ; vous devriez observer environ 0,25 V. Calcul des rendements électriques maximaux :
P =V × I =0,25 V × 0,00005 A =0,0000125 W, ou 12,5 µW.
Les panneaux solaires sont des réseaux de cellules câblées en série, qui ajoutent leurs tensions tout en maintenant le courant constant. Pour construire un réseau en série simple, connectez la plaque de cuivre propre (anode) d'une cellule de bouteille à la plaque oxydée (cathode) de la cellule suivante avec un fil et des pinces crocodiles. Mesurez la tension aux bornes des deux plaques libres restantes ; la tension devrait doubler pour atteindre environ 0,5 V. Chaque cellule supplémentaire en série ajoute 0,25 V supplémentaires. En enchaînant suffisamment de cellules, vous pouvez obtenir la tension ou la puissance nécessaire pour charger une batterie ou alimenter une petite LED.
• Manipulez les plaques de cuivre chaudes avec précaution pour éviter les brûlures.
• Utilisez des pinces crocodiles isolées pour éviter les courts-circuits.
• Lors de la mise à l'échelle, envisagez d'utiliser un récipient plus grand ou un électrolyte plus robuste pour améliorer l'efficacité.