Voir aussi : les semi-conducteurs - la jonction PN - Le générateur photovoltaïque -

La cellule photovoltaïque est l'élément de base des panneaux solaires qui produisent de l'électricité.

Description

Un cristal semi-conducteur dopé P est recouvert d'une zone très mince dopée N et d'épaisseur e égale à quelques millièmes de mm. Entre les deux zones se trouve une jonction J.
La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode k tandis qu'une plaque métallique a recouvre l'autre face du cristal et joue le rôle d'anode. L'épaisseur totale du cristal est de l'ordre du mm.
Un rayon lumineux qui frappe le dispositif peut pénétrer dans le cristal au travers de la grille et provoquer l'apparition d'une tension entre la cathode et l'anode. En général le semi-conducteur de base est du silicium monocristallin comme celui qui est utilisé pour la fabrication des transistors mais on rencontre maintenant plus fréquemment du silicium polycristallin moins coûteux à produire.

La photoconductibilité

Dans l'obscurité un cristal ordinaire de semi-conducteur présente une résistivité élevée. Lorqu'il est fortement éclairé par un rayonnement de fréquence assez élevé (lumière visible ou UV) sa résistivité diminue, c'est le phénomène de photoconductibilité. Les photons ph qui constituent le rayon lumineux sont des grains d'énergie d'autant plus élevée que la fréquence de l'onde correspondant à ce rayon lumineux est grande ( de l'ordre de 500 à 700 térahertz, voir le spectre de la lumière blanche). Si la fréquence du rayonnement est grande donc l'énergie du photon suffisante, ce photon pourra aider un électron bloqué dans la bande de valence à sauter dans la bande de conduction. Pour le silicium cristallin la largeur de la bande interdite, donc l'énergie Eg minimum nécessaire à l'electron pour passer de la bande de valence à la bande de conduction, est de 1,1 électron-volt. C'est la prolifération d'électrons "libres" (et des "trous" correspondants) qui rend le matériau plus conducteur.


La fréquence du rayonnement et l'énergie du photon

Un rayon lumineux monochromatique (comme une des composantes de la lumière jaune-orangée d'une lampe à vapeur de sodium, la raie D1) peut être considéré de deux manières :
- le modèle ondulatoire : le rayonnement est une onde de fréquence f (ou "n", la lettre grecque nu) en hertz et de longueur d'onde "l" en m (ou plus généralement en nanomètres). Pour la raie D1 f = 509 THz (terahertz) pour une longueur d'onde de 589,5 nm.
- le modèle corpusculaire : le rayon lumineux est composé de grains de lumière dont l'énergie individuelle (en joule) est égale au produit de la constante de Planck par la fréquence (en hertz) du rayonnement : W = h.f
Dans notre exemple l'énergie W du photon est de 3,37.10-19 J soit 2,1 eV (électron--volt), unité plus pratique à utiliser pour ces très faibles énergies.

Fonctionnement de la cellule photovoltaïque

Il s'agit simplement d'une diode à jonction PN particulière. La présence du champ électrique dû à l'existence de la jonction provoque l'accumulation vers les deux électrodes a et k des porteurs de charge produits par le rayonnement lumineux. Une force électromotrice d'environ 0,5 à 0,6 volts apparaît entre ces électrodes. Le dispositif est un générateur électrique. L'intensité maximum du courant produit dépend de la surface de la cellule et de la valeur de l'éclairement : pour la courbe a ci-contre l'éclairement était plus élevé que pour les courbes b et c.
La tension produite par la cellule dépend peu de l'éclairement mais diminue de façon sensible lorsque la température augmente. La courbe c a été relevée à une température plus élevée que celle de la courbe b.

Spectre d'une photopile au silicium cristallin

On sait que l'énergie Eg minimum pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (pour les isolants Eg est de l'ordre de 5eV). On peut calculer la fréquence minimum du rayonnement dont le photon de base possèdera une énergie supérieure à cette valeur.
Commençons par convertir cette énergie de 1,1eV en joules, sachant que 1eV = 1,6022.10-19 J
1,1eV = 1,7624.10-19 J

Ce qui correspond à un rayonnement infra-rouge. Voir spectre de la lumière visible.

Rendement d'une photopile

La puissance par m² du rayonnement solaire reçu à la surface de la Terre (donc l'éclairement en W/m²) est de l'ordre de 1000W/m², valeur dépendant de la latitude, de la saison, des conditions météorologiques.
Un générateur photovoltaïque d'une surface utile de 1 m² orienté perpendiculairement aux rayons du soleil et recevant une puissance lumineuse de 1000 W ne produit en réalité que 60 à 200 W "électrique" suivant la technologie avec laquelle il a été fabriqué. Le rendement d'une cellule fabriquée à partir d'un monocristal est un peu supérieur à 15%, de silicium polycristallin de l'ordre de 10 à 15% et de silicium amorphe entre 5 et 10% (les coûts de fabrication sont eux aussi dégressifs).
Ces faibles rendements sont dus aux pertes (réflexion, pertes Joule...) et au fait que la sensibilité de la cellule ne couvre pas la totalité du spectre du rayonnement solaire : le seuil de conduction, déterminé par l'énergie Eg de 1,1eV pour le silicium cristallin, correspondant à une fréquence de 266 THz comme on l'a vu ci-dessus.
D'autres matériaux sont utilisés : tellurure de cadmium, arséniure de gallium, diséléniure de cuivre et d'indium (CIS). Ces technologies sont encore très coûteuses mais elles laissent espérer des rendements bien supérieurs au silicium et une durée de vie plus grande.

Association de cellules

Pour obtenir une force électromotrice supérieure à 12 volts il est nécessaire de mettre en série plusieurs cellules de 0,6 volts. Par exemple un panneau fournissant 20 volts à vide est constitué de 36 cellules. Par contre, la mise en parallèle de cellules permet d'obtenir un courant d'intensité plus grande donc une puissance plus élevée. Le câblage série-parallèle est utilisé pour obtenir un générateur aux caractéristiques souhaitées.