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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