La cellule
photovoltaïque est l'élément de base des panneaux
solaires qui produisent de l'électricité.
Description
Un cristal
semi-conducteur dopé P est recouvert d'une zone
très mince dopée N et d'épaisseur
e égale à quelques millièmes de mm.
Entre les deux zones se trouve une jonction J.
La zone N est couverte par une
grille métallique qui sert de cathode k tandis
qu'une plaque métallique a recouvre l'autre face
du cristal et joue le rôle d'anode. L'épaisseur
totale du cristal est de l'ordre du mm.
Un rayon lumineux qui frappe le dispositif
peut pénétrer dans le cristal au travers de la
grille et provoquer l'apparition d'une tension entre la cathode
et l'anode. En général le semi-conducteur de base
est du silicium monocristallin comme celui qui est utilisé
pour la fabrication des transistors mais on rencontre maintenant
plus fréquemment du silicium polycristallin moins coûteux
à produire. |
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La
photoconductibilité
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Dans l'obscurité
un cristal ordinaire de semi-conducteur
présente une résistivité élevée.
Lorqu'il est fortement éclairé par un rayonnement
de fréquence assez élevé (lumière
visible ou UV) sa résistivité diminue, c'est le
phénomène de photoconductibilité. Les photons
ph qui constituent le rayon lumineux sont
des grains d'énergie d'autant plus élevée
que la fréquence de l'onde correspondant à ce rayon
lumineux est grande ( de l'ordre de 500 à 700 térahertz,
voir le spectre de la lumière
blanche). Si la fréquence du rayonnement est grande
donc l'énergie du photon suffisante, ce photon pourra
aider un électron bloqué dans la bande de valence
à sauter dans la bande de conduction. Pour le silicium
cristallin la largeur de la bande interdite, donc l'énergie
Eg minimum nécessaire à l'electron pour passer
de la bande de valence à la bande de conduction, est de
1,1 électron-volt. C'est la prolifération d'électrons
"libres" (et des "trous" correspondants)
qui rend le matériau plus conducteur. |
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La
fréquence du rayonnement et l'énergie du photon
Un rayon
lumineux monochromatique (comme une des composantes de la lumière
jaune-orangée d'une lampe à vapeur de sodium, la
raie D1) peut être considéré de deux manières
:
- le modèle ondulatoire : le rayonnement est une onde
de fréquence f (ou "n", la lettre grecque nu) en hertz
et de longueur d'onde "l" en m (ou plus généralement
en nanomètres). Pour la raie D1 f = 509 THz (terahertz)
pour une longueur d'onde de 589,5 nm.
- le modèle corpusculaire : le rayon lumineux est composé
de grains de lumière dont l'énergie individuelle
(en joule) est égale au produit de la constante
de Planck par la fréquence (en hertz) du rayonnement
: W = h.f
Dans notre exemple l'énergie W
du photon est de 3,37.10-19 J soit 2,1 eV (électron--volt),
unité plus pratique à utiliser pour ces très
faibles énergies. |
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Fonctionnement
de la cellule photovoltaïque
Il s'agit
simplement d'une diode à jonction PN particulière.
La présence du champ électrique dû à
l'existence de la jonction provoque l'accumulation vers les deux
électrodes a et k des porteurs de charge
produits par le rayonnement lumineux. Une force électromotrice
d'environ 0,5 à 0,6 volts apparaît entre ces électrodes.
Le dispositif est un générateur électrique.
L'intensité maximum du courant produit dépend de
la surface de la cellule et de la valeur de l'éclairement
: pour la courbe a ci-contre l'éclairement était
plus élevé que pour les courbes b et c.
La tension produite par la cellule dépend
peu de l'éclairement mais diminue de façon sensible
lorsque la température augmente. La courbe c a
été relevée à une température
plus élevée que celle de la courbe b. |
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Spectre d'une photopile au
silicium cristallin
On sait
que l'énergie Eg minimum pour faire passer un électron
de la bande de valence à la bande de conduction est de
1,1 eV pour le silicium cristallin (pour les isolants Eg est
de l'ordre de 5eV). On peut calculer la fréquence minimum
du rayonnement dont le photon de base possèdera une énergie
supérieure à cette valeur.
Commençons par convertir cette énergie de 1,1eV
en joules, sachant que 1eV = 1,6022.10-19 J
1,1eV = 1,7624.10-19 J
Ce qui correspond à un rayonnement infra-rouge. Voir spectre de la lumière visible. |
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Rendement
d'une photopile
La puissance
par m² du rayonnement solaire reçu à la surface
de la Terre (donc l'éclairement en W/m²) est de l'ordre
de 1000W/m², valeur dépendant de la latitude, de
la saison, des conditions météorologiques.
Un générateur photovoltaïque
d'une surface utile de 1 m² orienté perpendiculairement
aux rayons du soleil et recevant une puissance lumineuse de 1000
W ne produit en réalité que 60 à 200 W "électrique"
suivant la technologie avec laquelle il a été fabriqué.
Le rendement d'une cellule fabriquée à partir d'un
monocristal est un peu supérieur à 15%, de silicium
polycristallin de l'ordre de 10 à 15% et de silicium amorphe
entre 5 et 10% (les coûts de fabrication sont eux aussi
dégressifs).
Ces faibles rendements sont dus aux pertes
(réflexion, pertes Joule...) et au fait que la sensibilité
de la cellule ne couvre pas la totalité du spectre du
rayonnement solaire : le seuil de conduction, déterminé
par l'énergie Eg de 1,1eV pour le silicium cristallin,
correspondant à une fréquence de 266 THz comme
on l'a vu ci-dessus.
D'autres matériaux sont utilisés
: tellurure de cadmium, arséniure de gallium, diséléniure
de cuivre et d'indium (CIS). Ces technologies sont encore très
coûteuses mais elles laissent espérer des rendements
bien supérieurs au silicium et une durée de vie
plus grande. |
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Association
de cellules
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Pour obtenir
une force électromotrice supérieure à 12
volts il est nécessaire de mettre en série plusieurs
cellules de 0,6 volts. Par exemple un panneau fournissant 20
volts à vide est constitué de 36 cellules. Par
contre, la mise en parallèle de cellules permet d'obtenir
un courant d'intensité plus grande donc une puissance
plus élevée. Le câblage série-parallèle
est utilisé pour obtenir un générateur aux
caractéristiques souhaitées. |
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