Principe de fonctionnement de la cellule solaire ou photovoltaïque
La conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique est basée sur un phénomène appelé effet photovoltaïque. Lorsque des matériaux semi-conducteurs sont exposés à la lumière, certains photons du rayon lumineux sont absorbés par le cristal semi-conducteur, ce qui provoque une quantité significative d'électrons libres dans le cristal. C'est la raison fondamentale de la production d'électricité due à l'effet photovoltaïque. La cellule photovoltaïque est l'unité de base du système où l'effet photovoltaïque est utilisé pour produire de l'électricité à partir de l'énergie lumineuse. Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé pour construire la cellule photovoltaïque. L'atome de silicium possède quatre électrons de valence. Dans un cristal solide, chaque atome de silicium partage chacun de ses quatre électrons de valence avec un autre atome de silicium le plus proche, créant ainsi des liaisons covalentes entre eux. De cette manière, le cristal de silicium obtient une structure de réseau tétraédrique. Lorsqu'un rayon lumineux frappe n'importe quel matériau, une partie de la lumière est réfléchie, une partie est transmise à travers le matériau et le reste est absorbé par le matériau.
La même chose se produit lorsque la lumière tombe sur un cristal de silicium. Si l'intensité de la lumière incidente est suffisamment élevée, un nombre suffisant de photons est absorbé par le cristal, et ces photons, à leur tour, excitent certains des électrons des liaisons covalentes. Ces électrons excités acquièrent alors suffisamment d'énergie pour migrer de la bande de valence à la bande de conduction. Comme le niveau d'énergie de ces électrons est dans la bande de conduction, ils quittent la liaison covalente, laissant un trou derrière chaque électron retiré. Ces électrons, appelés électrons libres, se déplacent de manière aléatoire à l'intérieur de la structure cristalline du silicium. Ces électrons libres et trous jouent un rôle vital dans la création d'électricité dans la cellule photovoltaïque. Ces électrons et trous sont donc appelés électrons et trous générés par la lumière respectivement. Ces électrons et trous générés par la lumière ne peuvent pas produire d'électricité dans le cristal de silicium seul. Il devrait y avoir un mécanisme supplémentaire pour cela.
Lorsqu'une impureté pentavalente comme le phosphore est ajoutée au silicium, les quatre électrons de valence de chaque atome de phosphore pentavalent sont partagés par des liaisons covalentes avec quatre atomes de silicium voisins, et le cinquième électron de valence n'a pas la possibilité de créer une liaison covalente.
Ce cinquième électron est alors relativement faiblement lié à son atome parent. Même à température ambiante, l'énergie thermique disponible dans le cristal est suffisante pour dissocier ces électrons relativement lâches de leur atome de phosphore parent. Lorsque ce cinquième électron relativement lâche est dissocié de l'atome de phosphore parent, l'atome de phosphore devient un ion positif immobile. L'électron dit dissocié devient libre mais n'a aucune liaison covalente incomplète ou trou dans le cristal pour être re-associé. Ces électrons libres provenant de l'impureté pentavalente sont toujours prêts à conduire le courant dans le semi-conducteur. Bien qu'il y ait un certain nombre d'électrons libres, le matériau reste électriquement neutre car le nombre d'ions de phosphore positifs enfermés dans la structure cristalline est exactement égal au nombre d'électrons libres venus d'eux. Le processus d'insertion d'impuretés dans le semi-conducteur est connu sous le nom de dopage, et les impuretés dopées sont appelées dopants. Les dopants pentavalents qui donnent leur cinquième électron libre au cristal semi-conducteur sont appelés donneurs. Les semi-conducteurs dopés par des impuretés donneuses sont appelés semi-conducteurs de type n ou de type négatif, car il y a une abondance d'électrons libres qui sont chargés négativement par nature.
Lorsque, au lieu d'atomes de phosphore pentavalents, des atomes d'impuretés trivalentes comme le bore sont ajoutés à un cristal semi-conducteur, un type opposé de semi-conducteur est créé. Dans ce cas, certains atomes de silicium dans la structure de réseau seront remplacés par des atomes de bore, en d'autres termes, les atomes de bore occuperont les positions des atomes de silicium remplacés dans la structure de réseau. Trois électrons de valence de l'atome de bore s'apparieront avec les électrons de valence de trois atomes de silicium voisins pour créer trois liaisons covalentes complètes. Pour cette configuration, il y aura un atome de silicium pour chaque atome de bore, dont le quatrième électron de valence ne trouvera aucun électron de valence voisin pour compléter sa quatrième liaison covalente. Ainsi, ce quatrième électron de valence de ces atomes de silicium reste non apparié et se comporte comme une liaison incomplète. Il y aura donc un manque d'un électron dans la liaison incomplète, et par conséquent, une liaison incomplète attire toujours un électron pour combler ce manque. Ainsi, il y a une place pour que l'électron puisse s'asseoir.
Cette vacance est conceptuellement appelée trou positif. Dans un semi-conducteur dopé par des impuretés trivalentes, un nombre significatif de liaisons covalentes est constamment rompu pour compléter d'autres liaisons covalentes incomplètes. Lorsqu'une liaison est rompue, un trou est créé. Lorsqu'une liaison est complétée, le trou dans celle-ci disparaît. De cette manière, un trou semble disparaître pour apparaître un autre trou voisin. Ainsi, les trous ont un mouvement relatif à l'intérieur du cristal semi-conducteur. En ce sens, on peut dire que les trous peuvent également se déplacer librement comme des électrons libres à l'intérieur du cristal semi-conducteur. Puisque chaque trou peut accepter un électron, les impuretés trivalentes sont connues sous le nom de dopants accepteurs et les semi-conducteurs dopés avec des dopants accepteurs sont appelés semi-conducteurs de type p ou de type positif.
Dans un semi-conducteur de type n, les électrons libres transportent principalement une charge négative, et dans un semi-conducteur de type p, les trous transportent principalement une charge positive, par conséquent, les électrons libres dans un semi-conducteur de type n et les trous libres dans un semi-conducteur de type p sont appelés porteurs majoritaires dans un semi-conducteur de type n et de type p respectivement.
Il y a toujours une barrière de potentiel entre le matériau de type n et le matériau de type p. Cette barrière de potentiel est essentielle pour le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque ou solaire. Lorsqu'un semi-conducteur de type n et un semi-conducteur de type p entrent en contact, les électrons libres près de la surface de contact du semi-conducteur de type n trouvent de nombreux trous adjacents du matériau de type p. Par conséquent, les électrons libres du semi-conducteur de type n près de sa surface de contact sautent vers les trous adjacents du matériau de type p pour se recombiner. Non seulement les électrons libres, mais aussi les électrons de valence du matériau de type n près de la surface de contact sortent de la liaison covalente et se recombinent avec des trous plus proches dans le semi-conducteur de type p. Comme les liaisons covalentes sont rompues, il y aura un certain nombre de trous créés dans le matériau de type n près de la surface de contact. Ainsi, près de la zone de contact, les trous dans le matériau de type p disparaissent en raison de la recombinaison, tandis que des trous apparaissent dans le matériau de type n près de la même zone de contact. Ceci est en quelque sorte équivalent à la migration de trous du matériau de type p vers le semi-conducteur de type n. Dès qu'un semi-conducteur de type n et un semi-conducteur de type p entrent en contact, les électrons du type n transfèrent vers le type p et les trous du type p transfèrent vers le type n. Ce processus est très rapide mais ne continue pas indéfiniment. Après un certain temps, il y aura une couche de charge négative (excès d'électrons) dans le semi-conducteur de type p adjacent à la surface de contact. De même, il y aura une couche de charge positive (ions positifs) dans le semi-conducteur de type n adjacent à la surface de contact. L'épaisseur de ces couches de charge négative et positive augmente jusqu'à un certain point, mais après cela, aucun électron ne migre plus du semi-conducteur de type n vers le semi-conducteur de type p. Cela est dû au fait qu'un électron du semi-conducteur de type n essayant de migrer vers le semi-conducteur de type p rencontre une couche suffisamment épaisse d'ions positifs dans le semi-conducteur de type n lui-même, où il tombera sans la franchir. De même, les trous ne migrent plus vers le semi-conducteur de type n depuis le type p. Les trous, lorsqu'ils essaient de traverser la couche négative dans le semi-conducteur de type p, se recombinent avec les électrons et ne se déplacent plus vers la région de type n.
En d'autres termes, la couche de charge négative du côté p et la couche de charge positive du côté n forment ensemble une barrière qui s'oppose à la migration des porteurs de charge d'un côté à l'autre. De même, les trous dans la région de type p sont retenus pour entrer dans la région de type n. En raison des couches chargées positivement et négativement, il y aura un champ électrique à travers la région, et cette région est appelée couche de dépletion.
Revenons maintenant au cristal de silicium. Lorsqu'un rayon lumineux frappe le cristal, une partie de la lumière est absorbée par le cristal, et par conséquent, certains des électrons de valence sont excités et sortent de la liaison covalente, formant des paires électron-trou libres.
Si la lumière frappe un semi-conducteur de type n, les électrons de ces paires électron-trou générées par la lumière ne peuvent pas migrer vers la région p car ils ne peuvent pas franchir la barrière de potentiel en raison de la répulsion du champ électrique à travers la couche de dépletion. En même temps, les trous générés par la lumière traversent la couche de dépletion en raison de l'attraction du champ électrique de la couche de dépletion, où ils se recombinent avec les électrons, et ensuite le manque d'électrons ici est compensé par les électrons de valence de la région p, et cela crée autant de trous dans la région p. Ainsi, les trous générés par la lumière sont déplacés vers la région p où ils sont piégés car une fois qu'ils viennent dans la région p, ils ne peuvent pas revenir dans la région de type n en raison de la répulsion de la barrière de potentiel.
Comme la charge négative (électrons générés par la lumière) est piégée d'un côté et la charge positive (trous générés par la lumière) est piégée de l'autre côté de la cellule, il y aura une différence de potentiel entre ces deux côtés de la cellule. Cette différence de potentiel est typiquement de 0,5 V. C'est ainsi que les cellules photovoltaïques ou cellules solaires produisent une différence de potentiel.
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