Effet Photovoltaïque

     


 Une cellule photovoltaïque est « un composant optoélectronique » qui, exposé à la lumière absorbe des photons et produit de l’électricité : c’est l’effet photovoltaïque.

      Les dispositifs optoélectroniques capables d’absorber le maximum de photon (couvrir un large spectre) et possédant une probabilité d’absorption proche de 1 sont les semi-conducteurs (figure 1) et plus précisément des jonctions P-N.


Figure 1 : Différence entre les semi-conducteurs, métaux et isolants de point de vue énergétique

Sur la figure 2, on présente une cellule photovoltaïque typique. Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites dopés respectivement de type n et de type p.


Figure 2 : Cellule photovoltaïque typique

Le dopage des cristaux de Silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau, figure 3. Un atome de Silicium comporte 4 électrons périphériques. L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes de Phosphore qui, eux, comportent 5 électrons (soit 1 de plus que le Silicium) ; on parle de dopage de type n, comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de Bore qui ont 3 électrons (1 de moins que le Silicium) ; on parle de dopage de type p, comme positif, en raison du déficit d’électrons ainsi crée. Lorsque la première est mise en contacte avec la seconde les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p.


Figure 3 : Dopage du Silicium

  II-2- Principe de fonctionnement

      Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet (0.2 µm) à l’infrarouge (2.5 µm) avec une majorité dans le visible (0.3-0.8 µm). L’énergie totale portée par ce rayonnement au voisinage de la terre est de 1000 W/m2. L’énergie d’un photon s’écrit :
 avec   h : Constante de Planck
           C : Célérité de la lumière
           λ : Longueur d’onde [µm]
      La conversion photovoltaïque est la transformation de l’énergie du photon en énergie électrique grâce au processus d’absorption de la lumière par la matière au sein des cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques exploitent, donc, l’effet photovoltaïque pour produire du courant continu par absorption du rayonnement solaire. Ces dernières sont en générale à base de Silicium car il admet des caractéristiques électriques intéressantes ; moins cher sur le marché, abondant sur la terre et il compose 28% de l’écorce terrestre. Il possède un gap de 1.1 eV. La conversion photovoltaïque dans les photopiles passe par 3 étapes [2] :
Ø  Absorption des photons de la lumière solaire
Ø  Conversion de l’énergie reçue par les photons en énergie électrique
Ø  Collection des particules libres provenant de la conversion dans un circuit externe

     II-2-1- Absorption des photons de la lumière solaire

      Chaque semi-conducteur est caractérisé par son énergie de Gap (EG) qui représente la largeur de la bande interdite, figure 1. Pour que le semi-conducteur absorbe la lumière, à laquelle il est exposé, il faut que l’énergie des photons lumineux soit suffisamment supérieure à l’énergie de Gap du matériau (E ≥ EG). Les niveaux d’énergie impliqués sous l’absorption des photons sont le niveau du haut de la bande de valence et le niveau du bas de la bande de conduction.

    II-2-2- Conversion de l’énergie reçue par les photons en énergie électrique

      En traversant la cellule photovoltaïque, les photons sont absorbés et arrachent des électrons aux atomes de Silicium des deux couches n et p. En effet, lorsque le matériau absorbe un photon, un électron sera excité et passe d’un niveau énergétique à un autre d’énergie supérieure en créant une paire électron-trou de même énergie électrique (figure 4). Toutefois l’électron à l’équilibre tend à revenir à sa position initiale en se liant au trou créée au paravent ainsi cette transition entraine la conversion de l’énergie solaire en énergie thermique, le matériau chauffe au soleil [3].


Figure 4 : excitation des électrons

    II-2-3- Collection des particules libres provenant de la conversion


      Récupérer toute ou partie de l’énergie obtenue sous forme électrique est l’objectif de la conversion photovoltaïque. Ceci n’est possible que lorsque les paires électrons-trou créées ne se lient pas à l’équilibre. Il suffit donc de les séparer en les forçant à passer dans un circuit extérieur. Pour cela, il faut avoir un champ électrique. La présence de ce champ crée deux forces répulsives au niveau de l’électron et du trou, vu que leurs charges sont de signes opposées. Cela marche grâce au champ interne très fort crée à l’interface de la jonction P-N qui va repousser les électrons dans la zone n et donc séparer les charges, figure 5.
      Les porteurs de charges sont, ensuite, collectés par l’intermédiaire d’une grille qui joue le rôle d’anode, à l’avant et un contact, qui joue le rôle de cathode, à l’arrière ce qui permet de générer un courant électrique dans le circuit extérieur (le photocourant) sous une tension nulle.



Figure 5 : Séparation des charges sous l'effet du champ interne

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