L`effet photovoltaïque - e

L'effet photovoltaïque
D'où vient le terme photovolatïque ?
Il vient du mot grec photos qui signifie lumière et de Volta, un physicien italien qui a
découvert la pile électrique.
Nous allons étudier le cœur du phénomène photovoltaïque qui est la conversion de la
lumière en électricité. Cette conversion d'énergie va se dérouler en 3 étapes :
•Absorption de la lumière par le matériau
•Le transfert d'énergie des photons aux charges électriques
•La collecte des charges
Absorption de la lumière
Généralement, lorsqu'un rayon lumineux arrive sur un solide, il peut se passer 3
phénomènes optiques différents :
•La réflexion
•L'absorption
•la transmission
Illustration 1: http://oliams.files.wordpress.com

Ce schéma, nous permet d'établir l'égalité suivante :
Iémise= Irefléchie + Iabsorbée + Itransmise
Les différentes valeurs d'intensité dépendent des propriétés optiques du matériau utilisé.
Bien sur dans la conversion photovoltaïque, ce qui nous intéresse c'est la capacité du matériau à
absorber la lumière visible. On va donc chercher à minimiser la transmission et la réflexion.
Transfert d’énergie des photons
On s'intéresse maintenant à la lumière absorbé par le semi-conducteur et ce sont les
charges élémentaires, les électrons qui vont produire le courant électrique. Les photons,
constituants de la lumière qui sont absorbés vont donner leurs énergies aux électrons les plus
éloignés du noyau ce qui leur permet de se libérer de l'attraction du noyau, bien sûre il se retrouve
dans un état excité.
Illustration 2: http://media4.obspm.fr
Puis l'électron libéré va crée un « trou » qui est en fait une charge positive, on parle alors
de paire électron-trou. Il va alors se passer une réaction en chaîne puisque l'électron d'un atome
voisin va venir combler ce trou en laissant à nouveau un autre trou. Enfin, c'est ce phénomène qui
va générer une circulation des charges élémentaires et on observe alors un courant électrique.
Ce phénomène physique aussi appelés photoconductivité est une spécificité des semi-
conducteurs car ils sont dotés d'électrons libérales. Ces électrons sont faiblement liés au noyau ce
qui les rend donc facilement détachables.

Selon le matériau utilisé, il existe un seuil d'énergie à fournir de la part du photons pour
libérer un électron et ce seuil d'énergie est appelé le gap optique du matériau ou bien largeur de la
bande interdite. Si le photon a une énergie insuffisante la paire électron-trou ne pourra pas être
formé.
D'après la théorie des bandes, cette libération est en fait, le passage d'un électron de la
bande de valence (électrons liés à son atome) à la bande de conduction (niveaux énergétiques
supérieures) grâce à l'énergie donnée par le photon.
Illustration 3: http://mavoiescientifique.onisep.fr
Sur ce schéma, on peut voir les portions exploitables du spectre solaire AMO apr le
silicium cristallin, en effet l'énergie et la longueur d'onde sont liés, on peut donc en déduire à
partir de la valeur du gap énergétique du silicium cristallin, le domaine de longueur d'onde où les
photons peuvent être absorbés.
Illustration 4: http://bu.umc.edu.dz

Collecte des charges
Pour que les charges électriques génèrent un courant électrique, il faut qu'elle circule ce
qui nécessite de séparer la paire électron-trou formée afin d'éviter toute recombinaison. Une
jonction va donc être crée pour extraire les charges, on va donc produire un champ électrique
pour faire circuler ces charges. On aura d'un côté les charges négatives et de l'autre côté, les
charges positives.
Illustration 5: http://www.luxol.fr
Pour cela, on va procéder au dopage du silicium avec un dopage p et n de pars et d'autres
de la jonction. Le dopage de type p est un dopage au Phosphore et le type un n, un dopage au Bore
et ce sont les structure électroniques de ces deux atomes qui permettent de créer le champ
électrique.
En dopant une partie avec des atomes de Phosphore présentant 5 électrons de valence, un
électron par atome ne pourra pas se lier avec les atomes de silicium qui ont 4 électrons de valence.
Cette partie du matériau va donc être donneur d'électrons grâce à l'excédent de charges et dit de
type n.
C'est le même principe avec les atomes de Bore possédant 3 électrons de valence ce qui va
provoquer l'apparition de trous, donc de charges positives. A l'inverse, le matériau va être
accepteur d'électrons et dit de type p.
Illustration 6: http://e-lee.net