L'énergie photovoltaïque

1.2.1 Dates Historiques

1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre l'eet photovoltaïque.

1875 : Werner Von Siemens expose devant l'Académie des Sciences de Berlin un article

sur l'eet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu'à la Seconde

Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une découverte anecdotique.

1912 : Albert Einstein explique le phénomène photoélectrique et obtient le prix Nobel

en 1921.

1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une

cellule photovoltaïque à haut rendement de 6% au moment où l'industrie spatiale

naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.

1958 : Une cellule avec un rendement de 9% est mise au point. Les premiers satellites

alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l'espace.

1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à

l'Université de Delaware.

1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance

de 4000 km en Australie.

1995 : Des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au

Japon et en Allemagne, ils se généralisent depuis 2001.

1.2.2 Principe de fonctionnement

Il existe au sein des matériaux conducteurs, semi-conducteurs et isolant des niveaux

éner-gétiques où la position des électrons est classiée en terme de bande de valence (BV) ou

bande de conduction (BC), la zone intermédiaire pouvant séparer ces deux bandes est

appe-lée gap. Dans le cas d'un matériau conducteur ce gap n'existe pas, les électrons peuvent se

déplacer de la bande de valence vers la bande de conduction sans apport d'énergie

supplé-mentaire. A l'opposé, un isolant possède un gap important qui est de l'ordre de 8 à 10eV,

cette énergie correspond à la barrière devant être franchie par un électron pour passer de la

BV à laBC. Pour un semi-conducteur, ce gap est plus faible et se situe entre 0,2(P bSe) et

6,3eV (AlN).

Lorsque le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction

se situent à une valeur voisine du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k)on parle de

semi-conducteur à gap direct (Fig. 1.3-a), s'il existe un décalage, on parle de gap indirect (Fig.

1.3-b).

L'eet photovoltaïque concerne les matériaux semi-conducteur, il implique la production

de charges négatives (électrons) et positives (trous) sous l'eet d'un rayonnement

électroma-gnétique (photons). L'énergie transportée par ce rayonnement est dénie par la relation :

E

_ph

(eV) = ^hc

λ (1.1)

où h est la constante de Planck tel que h = 6,63.10

⁻34

m

2

.kg.s

⁻1

, c est la célérité de

la lumière dans le vide et est égale à 3.10

8

m.s

⁻1

et λ la longueur d'onde de la lumière (en

BV

BC

BV

BC

+

-+

-(1)

(1)

(2)

(3)

(4)

b)

a) ^{k k}

Figure 1.3: Diagramme des bandes de conduction et de valence dans le cas de cristaux à gap

a) direct et b) indirect. (1) Absorption, (2) Contribution d'un phonon, (3) Thermalisation,

(4) Transition non radiative.

au niveau énergétique du gap, peuvent être convertis en électricité. Lorsque ces photons

pénètrent le matériau semi-conducteur, ils peuvent être absorbés et ainsi faire passer un

électron de la bande de valence vers la bande de conduction. Puisqu'un trou est laissé dans

la bande de valence, le processus d'absorption génère une paire électron-trou (exciton).

Ce phénomène n'existe pas dans le cas des métaux car tous les niveaux supérieurs au

niveau de Fermi

1

sont autorisés et toutes les longueurs d'onde sont susceptibles d'être

ab-sorbées. Les paires électrons-trous générées se recombinent quasi-instantanément (10

⁻12

à

10

⁻13

s ), ce qui ne laisse pas la possibilité de les exploiter. Pour les isolants, un photon

incident devra fournir une énergie supérieure à 8eV pour interagir avec un électron. Cette

énergie correspond à une longueur d'onde inférieure à 0,15µm (UV) et n'est pas couverte

par le spectre solaire (voir Fig. 1.4).

Dans le cas des semi-conducteurs à gap direct, l'annihilation d'un électron de la bande de

conduction par un trou de la bande de valence entraîne l'émission d'un photon,

communé-ment appelée recombinaison radiative (Fig. 1.3-a). Le phénomène inverse de la recombinaison

radiative est l'absorption lumineuse.

Le silicium possède un gap indirect (1,11eV à 298K), les transitions électroniques sont

par conséquent non radiatives et impliquent un changement du vecteur d'onde de l'électron

(Fig. 1.3-b). Pour que cette transition s'eectue, il faut qu'un photon soit préalablement

absorbé (ou émis) par l'électron.

Figure 1.4: Irradiance solaire à la surface de la terre.

1.2.3 Exemple de la photopile en silicium

Nous ne rappelons pas ici le principe et les équations fondamentales de la jonction pn

décrits largement par ailleurs pour les semi-conducteurs. Nous nous limitons au rappel du

principe et des équations nécessaires au fonctionnement de la cellule photovoltaïque [84].

La jonction pn résulte de la juxtaposition dans un même matériau semi-conducteur de

deux zones ; l'une de type p (majoritaire en trous, minoritaire en électrons) et l'autre de

type n (majoritaire en électrons, minoritaire en trous) (Fig. 1.5). Lorsque les deux matériaux

sont en contact, des courants de diusion de trous et d'électrons se développent autour de la

jonction. Ceci crée une charge positive dans la zone n et une charge négative dans la zone p

entraînant la formation d'une zone de déplétion ou encore une zone de charge d'espace (ZCE).

Ainsi ces matériaux créent, au voisinage immédiat de la jonction, une barrière de potentiel

qui s'oppose aux courants de diusion des porteurs majoritaires de chaque zone. Lorsque

l'équilibre est atteint, le champ électrique créé par la barrière de potentiel est susant pour

équilibrer les courants de diusion des porteurs majoritaires et des porteurs minoritaires.

Au niveau de la jonction, la bande d'énergie est centrée autour du niveau de Fermi E

_F

et

il existe, autour de cette énergie, une largeur de bande interdite séparant la bande de valence

a) Contact face avant Contact face arrière

n p

+ -+ -+

-ZCE

b)

E

_f

E

_v

E

c

E

g

ZCE

n

p

+ -+

-Figure 1.5: a) Structure de diode à jonction pn, b) diagramme de bande d'une jonction pn

sous éclairement.

d'énergie E

_v

et la bande de conduction d'énergie E

_c

.

Pour créer un courant dans la jonction pn, il est nécessaire :

soit d'abaisser la barrière de potentiel en polarisant la jonction (eet utilisé pour les

diodes de redressement)

soit d'apporter une énergie supplémentaire aux porteurs dans la bande de valence

(énergie thermique, énergie lumineuse...)

et de collecter rapidement les charges ayant traversé la bande interdite avant leur

recombinai-son. Remarquons que, si la température augmente, les électrons remplissent progressivement

tous les états d'énergie et peuvent, pour une température donnée, annuler la bande

inter-dite donc l'eet jonction pn (cas du silicium à 400°C). Ceci est à prendre en compte pour

les cellules photovoltaïques à jonction pn dont le rendement diminue avec l'élévation de la

température.

En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, on forme une diode. Sous

éclaire-ment, elle génère des paires électrons-trous qui se déplacent d'atome à atome (siE

_photon

>E

_g

),

les électrons laissant place à des trous. Lorsqu'une charge est placée aux bornes de la cellule,

les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p par l'intermédiaire de la connexion

extérieure. Ceci donne naissance à la circulation d'un courant électrique.

1.2.4 Caractéristiques électriques

Sous obscurité, le courant dans une jonction pn est appelé courant d'obscurité ou

courant de diode et est donné par l'équation de Shockley :

I

_d

=I

₀

exp

qV

n

_id

k

_b

T

−1

(1.2)

avecqla charge élémentaire égale à 1,6.10

⁻19

C,V la tension aux bornes de la jonction

(en V), k

_b

la constante de Boltzmann égale à 1,38.10

⁻23

J.K

⁻1

, T la température (en

K), I

₀

le courant de saturation inverse de la jonction pn et n

_id

le coecient d'idéalité

de la jonction.

Sous éclairement, les photons incidents vont générer des paires électron-trou de

chaque côté de la jonction pn, c'est à dire dans l'émetteur de type n et dans la base

de type p. Les porteurs minoritaires ainsi générés, que ce soit les électrons de la base

où les trous de l'émetteur, diusent vers la ZCE et sont entraînés par le champ

élec-trique vers la zone n pour les électrons et vers la zone p pour les trous. La jonction

pn sépare par conséquent les porteurs de charges opposées et transforme la génération

de courant I

_l

entre les bandes en courant électrique au travers de la jonction pn (Eq.

1.3). En considérant que chaque photon contribue à l'apparition d'un électron pour la

génération d'un courant, nous pouvons écrire que le courant électrique est égale à :

I

_l

=qN A (1.3)

oùN est le nombre de photons du spectre (après superposition avec le spectre d'absorption

du semi-conducteur considéré), A l'aire du semi-conducteur exposé à la lumière.

La caractéristique I − V d'une cellule solaire peut être obtenue en traçant le circuit

électrique équivalent déni par la gure 1.6 . La génération de courant I

_l

par la lumière

est représentée par un générateur de courant en parallèle avec une diode qui représente la

jonction pn. Le courant de sortie I est alors égal à la diérence entre le courant généré sous

éclairement et le courant de diode I

d

. Les équations 1.2 et 1.3 donnent alors :

I =I

_l

−I

₀

exp

qV

n

_id

k

_b

T

−1

(1.4)

On peut noter que lorsque le système est en court-circuit, c'est à dire lorsque V = 0, tout

le courant généré par éclairement passe à travers la diode, on le note I

_cc

, qui comme nous

l'avons noté est simplement le courant d'illumination I

_l

. En circuit ouvert (I = 0) tout le

courant passe par le circuit de charge (Fig. 1.6). L'expression de la tension est donnée par :

V

_oc

= ^k

^b

^T

q ^ln

I

_l

I

₀

^{+ 1}

(1.5)

Il n'y a pas de puissance générée sous court-circuit et sous circuit ouvert. Le maximum de

puissanceP

_m

produit par le dispositif est obtenu à un point où le produitI−V est maximum.

Ceci est montré sur la gure 1.6 où la puissance maximum est représentée par la plus grande

aire du rectangle P. On dénit habituellement un facteur de forme F F tel que :

I

_l

I

_d

I

V

I

l

V

Sous éclairement (Cellule solaire) Sous obscurité (diode)

-I

I

cc

V

oc

I

m

V

m

P

Figure 1.6: Circuit électrique équivalent et caractéristique I−V d'une cellule solaire vis à

vis d'une diode.

F F = ^I

^m

·V

_m

I

_cc

·V

_oc

(1.6)

où V

_m

et I

_m

représentent respectivement la tension et le courant au point de puissance

maximum.

Le rendement η d'une cellule solaire est déni comme étant la puissance maximum P

_m

produite par la cellule divisée par la puissance de rayonnement incidente. On obtient ainsi la

relation suivante :

η= ^I

^m

·V

_m

EE·S (1.7)

avecEE l'éclairement énergétique en W.m

⁻²

etS la surface de la cellule en m

²

.

Dans le document Étude expérimentale et numérique de la précipitation d'impuretés et de la formation des grains dans le silicium photovoltaïque (Page 32-38)