Qu'est-ce que l'effet photovoltaïque

L'effet grâce auquel l'énergie lumineuse est convertie en énergie électrique dans certains matériaux semi-conducteurs est connu sous le nom d'effet photovoltaïque. Cela convertit directement l'énergie lumineuse en électricité sans aucun processus intermédiaire. Pour démontrer l'effet photovoltaïque, supposons un bloc de cristal de silicium.
La partie supérieure de ce bloc est dopée avec des impuretés donneuses et la partie inférieure est dopée avec des impuretés accepteuses. Ainsi, la concentration d'électrons libres est beaucoup plus élevée dans la région n que dans la région p, et la concentration de trous est beaucoup plus élevée dans la région p que dans la région n du bloc. Il y aura un gradient de concentration élevé de porteurs de charge à travers la ligne de jonction du bloc. Les électrons libres de la région n tentent de diffuser vers la région p, et les trous de la région p tentent de diffuser vers la région n dans le cristal. Cela est dû au fait que les porteurs de charge, par nature, tendent toujours à diffuser d'une région de haute concentration vers une région de basse concentration. Chaque électron libre de la région n, en se diffusant vers la région p, laisse derrière lui un ion donneur positif dans la région n.

Cela est dû au fait que chaque électron libre de la région n est fourni par un atome donneur neutre. De même, lorsque un trou se diffuse de la région p vers la région n, il laisse derrière lui un ion accepteur négatif dans la région p.

Chaque trou est fourni par un atome accepteur dans la région p. Ces deux ions, c'est-à-dire les ions donneurs et les ions accepteurs, sont immobiles et fixés à leur position dans la structure cristalline. Il va de soi que les électrons libres de la région n qui sont les plus proches de la région p diffusent en premier dans la région p, créant ainsi une couche d'ions donneurs positifs immobiles dans la région n adjacente à la jonction.

De même, les trous libres de la région p qui sont les plus proches de la région n diffusent en premier dans la région n, créant ainsi une couche d'ions accepteurs négatifs immobiles dans la région p adjacente à la jonction. Ces couches de concentration d'ions positifs et négatifs créent un champ électrique à travers la jonction, dirigé du positif vers le négatif, c'est-à-dire de la région n vers la région p. En raison de la présence de ce champ électrique, les porteurs de charge dans le cristal subissent une force pour se déplacer selon la direction de ce champ électrique. Comme nous le savons, la charge positive se déplace toujours dans la direction du champ électrique, donc les trous chargés positivement (s'il y en a) dans la région n se déplacent maintenant vers le côté p de la jonction.

D'autre part, les électrons chargés négativement dans la région p (s'il y en a) se déplacent vers la région n, car la charge négative se déplace toujours dans la direction opposée au champ électrique. À travers une jonction p-n, la diffusion et le déplacement des porteurs de charge continuent. La diffusion des porteurs de charge crée et augmente l'épaisseur de la barrière de potentiel à travers la jonction, tandis que le déplacement des porteurs de charge réduit l'épaisseur de la barrière. Dans des conditions normales d'équilibre thermique et en l'absence de toute force externe, la diffusion des porteurs de charge est égale et opposée au déplacement des porteurs de charge, de sorte que l'épaisseur de la barrière de potentiel reste fixe.

Maintenant, la surface de type n du bloc de cristal de silicium est exposée à la lumière du soleil. Certains photons sont absorbés par le bloc de silicium. Certains des photons absorbés auront une énergie supérieure à l'écart d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction des électrons de valence des atomes de silicium. Par conséquent, certains des électrons de valence dans les liaisons covalentes seront excités et sauteront hors de la liaison, laissant derrière eux un trou. De cette manière, des paires électron-trou sont générées dans le cristal en raison de la lumière incidente. Les trous de ces paires électron-trou générées par la lumière du côté n ont une probabilité suffisante de se recombiner avec les nombreux électrons (porteurs majoritaires). Par conséquent, la cellule solaire est conçue de telle sorte que les électrons ou les trous générés par la lumière n'auront pas suffisamment de chances de se recombiner avec les porteurs majoritaires.

Le semi-conducteur (silicium) est dopé de telle sorte que la jonction p-n se forme très près de la surface exposée de la cellule. Si une paire électron-trou est créée à l'intérieur d'une longueur de diffusion d'un porteur minoritaire de la jonction, les électrons de la paire électron-trou se déplaceront vers la région n et le trou de la paire sera balayé vers la région p en raison de l'influence du champ électrique de la jonction, et donc en moyenne, cela contribuera à l'écoulement du courant dans un circuit externe.

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