EFFET PHOTOVOLTAIQUE E о E о

EFFET PHOTOVOLTAIQUE
Quand une jonction PN ou une jonction métal-semi-conducteur (diode SCHOTTKY) est éclairée par des
photons d'énergie supérieure à la valeur du gap Eg, des paires électron-trou sont générées et séparées sous
l'influence du champ électrique interne qui règne dans la zone de transition, dite de charge d'espace.
Expérimentalement, il est possible d'étudier cet effet de deux manières:
a) Lorsque la jonction est utilisée sans polarisation extérieure, une ddp apparaît à ses bornes. C'est le
fonctionnement en photopile. Les paires électron-trou créées lors de l'illumination sont collectées dans la
zone de charge d'espace, l'existence du champ électrique interne permettant de s'affranchir d'une source
extérieure. Les convertisseurs photovoltaïques d'énergie solaire fonctionnent de cette façon.
b) Lorsque la jonction est polarisée, son courant de saturation est modifié par l'apport de paires électrontrou. C'est le fonctionnement en photodiode.
Dans cette manipulation on s'intéresse au premier mode de fonctionnement.
1 - Comportement de la cellule photovoltaïque éclairée
Le schéma des bandes d'énergie (figure ci-dessous) représente l'état d'équilibre d'une jonction PN non
éclairée.
En pratique, la cellule est chargée par une résistance
Rch où est dissipée la puissance utile fournie. Sous
éclairement dans la région de charge d'espace, le champ
interne E i va séparer et collecter les paires électron-trou
photogénérées. Les porteurs majoritaires (électrons dans
le matériau N, trous dans le matériau P) sont repoussés de
la zone de charge et s'arrêtent rapidement dans les zones
mortes P et N où le champ est nul. Seuls peuvent franchir
la zone de transition ceux d'entre eux qui ont une énergie
(thermique) supérieure à e V0. Les porteurs minoritaires
au contraire sont accélérés par le champ E i et traversent
la zone de charge d'espace, provoquant le passage du
courant électrique de la région N vers la région P (à
l'intérieur de la cellule). La zone P est portée à un
potentiel positif par rapport à la région N à cause de la
circulation du courant dans la résistance Rch.
Si l'on considère, en première approximation, que
les chutes de tension dans les régions quasi neutres P et
N sont nulles, la ddp aux bornes de la charge se
retrouve aux extrémités de la zone de transition. Dans
le cas d' une résistance de charge Rch très grande,
rendant le courant négligeable, on est dans les
conditions de circuit ouvert : la tension aux bornes de
la cellule Vco est alors maximale.
Semi-conducteurs – effet photovoltaïque -1
Plate-forme Matière Condensée et Cristallographie ( MCC) --- C.E.S.I.R.E. Université J.Fourier Grenoble
2 - Modèle analytique simple
A partir de la caractéristique courant-tension ci-dessus, nous pouvons considérer que le courant de la
cellule photovoltaïque résulte de la superposition d'un courant Ii d'une diode non éclairée et d'un courant Icc
généré par l'éclairement
I = Ii - Icc
Dans notre cas (jonction PN), le courant traversant la diode non éclairée s'écrit
eV
I = Is [ exp( n k T ) - 1 ]
où Is est le courant de saturation et n un facteur empirique dit facteur d'idéalité de la diode.
L'expression du courant qui traverse la cellule éclairée est alors:
eV
I = Is [ exp( n k T ) - 1 ] - Icc
Le photocourant Icc apparaît comme la courant de la cellule en court-circuit. A partir de cette
expression, on peut aussi définir la tension en circuit ouvert
Icc
kT
Vco = n e Log [ I
+1]
s
Ces formules nous permettent d'interpréter avee une bonne approximation les grandeurs expérimentales
obtenues lors de la manipulation.
D'une manière générale pour rendre compte du
fonctionnement des diodes sous éclairement, nous devons
prendre en considération les différents phénomènes physiques
qui limitent leurs performances (par exemple des chutes de
tension dans les zones mortes P et N). Il s'introduit ainsi une
résistance série Rs de la diode, analogue à la résistance interne
des générateurs de tension. Le schéma équivalent de la cellule
photovoltaïque est alors le schéma ci-contre
3 - Partie pratique
3-1) Repérer les entrées p et n de la cellule photovoltaïque.
Dessiner le schéma de montage permettant de tracer la caractéristique I = f(V) sur l'enregistreur XY. Il y
a deux montages possibles .
Tracer ces caractéristiques pour 4 valeurs de la tension d'alimentation de la lampe. Pour chacune des
courbes, on mesurera le flux au moyen de la cellule de Moll.
Tracer les droites de charge pour quelques valeurs de la résistance variable (boîte AOIP). Quelle zone du
graphe peut-on explorer ?
3-2) Pour un éclairement donné, la puissance fournie par la cellule varie lorsque l'on fait varier la charge
aux bornes de cette cellule.
Pour chaque courbe, déterminer graphiquement la puissance maximum ainsi que les valeurs
correspondantes de l'intensité, de la tension et de la résistance de charge.
3-3) Calculer la surface de la cellule et donner l'expression du rendement lumineux. Calculer le
rendement optimum pour chacune des courbes.
On n'oubliera pas de préciser l'incertitude qui affecte chacun des résultats obtenus.
Semi-conducteurs – effet photovoltaïque -2
Plate-forme Matière Condensée et Cristallographie ( MCC) --- C.E.S.I.R.E. Université J.Fourier Grenoble