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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Deuxième partie. Quelques aspects fondamentaux

6. Effet photovoltaïque : principes physiques

Jean-Paul Kleider

Texte intégral

1L’effet photovoltaïque désigne la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique. La découverte de cet effet est attribuée à Edmond Becquerel en 1839. En 1875, Werner von Siemens présente devant l’Académie des Sciences un exposé décrivant l’effet photovoltaïque dans les semiconducteurs, mais il faudra attendre le début du XXe siècle pour en obtenir une explication, grâce notamment aux travaux d’Albert Einstein et à la compréhension de la nature corpusculaire de la lumière* et de la quantification de son énergie.

Principe général

2L’énergie lumineuse est véhiculée par des particules de lumière, les photons. Si la lumière est absorbée par un matériau, des photons peuvent transférer leur énergie à certains de ses électrons*. Grâce à ce transfert, l’énergie moyenne des électrons extraits est supérieure à celle des électrons qui retournent dans la cellule, ceux-ci ayant cédé leur excès d’énergie dans la charge électrique (figure 1). Une partie de l’énergie lumineuse absorbée est ainsi transformée en énergie électrique. Dans la plupart des dispositifs photovoltaïques, le matériau qui absorbe les photons est un semi-conducteur*. Dans un tel matériau, il existe une plage d’énergie interdite pour les électrons, appelée « bande interdite* » ou « gap », qui sépare deux zones où les énergies possibles sont réparties continûment : la bande de valence avec EV comme niveau d’énergie le plus élevé, et la bande de conduction, avec EC comme niveau le plus bas. À l’obscurité, une faible proportion des niveaux de la bande de conduction proches de EC est occupée par des électrons (que l’on dit « activés thermiquement »), et une proportion équivalente des niveaux de la bande de valence proches de EV sont vides. Les électrons de ces deux bandes d’énergie peuvent alors contribuer au courant. La contribution de l’ensemble des électrons de la bande de valence peut être décrite par des particules fictives appelées « trous* », de charge opposée à celle des électrons, et occupant les états vides d’électrons de cette bande. Lorsque le semi-conducteur est soumis à une lumière dont les photons ont une énergie Eph supérieure à Eg= EC-EV, on lumière. Chaque photon absorbé correspond à une transition d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, décrite comme la création d’une paire électron-trou. Cette transition s’effectue en respectant la règle de conservation de l’énergie : si l’électron est initialement à un état d’énergie E1, son état final sera à une énergie E2= E1+ Eph. Cependant, si Eph est nettement supérieur à Eg, l’électron créé dans la bande de conduction à une énergie E2 bien au-dessus de EC va perdre une partie de son énergie en la cédant sous forme de chaleur au matériau pour « retomber » à une énergie proche de EC : on parle de « désexcitation par thermalisation ». Le temps de thermalisation est extrêmement court, de l’ordre de la picoseconde*, et il n’est pas possible aujourd’hui d’extraire l’électron excité de la cellule en un temps aussi court (des travaux de recherche sont menés dans cette direction : il s’agit du concept de « cellules à porteurs chauds »). En revanche, l’inexistence de niveaux possibles pour l’électron dans la bande interdite et la faible proportion de trous dans la bande de valence font que la désexcitation complète de l’électron par retour dans la bande de valence, c’est-à-dire la recombinaison avec un trou, possède un temps caractéristique, appelé durée de vie*, beaucoup plus long que le temps de thermalisation, ce qui permet d’extraire les électrons avant qu’ils n’aient perdu toute l’énergie gagnée par l’absorption de lumière.

Fig. 1 – Schéma de principe général d’un générateur photovoltaïque et circulation des électrons*. L’énergie lumineuse est absorbée par la cellule, une partie de l’énergie est transférée à des électrons, qui sont extraits dans le circuit extérieur et circulent pour alimenter une charge électrique (courant I de sens opposé à la circulation des électrons). L’énergie des électrons extraits est supérieure à celle des électrons qui sont restitués à la cellule (tension U), la différence étant dissipée dans la charge

Dissymétrie et performances

3Toutefois, l’établissement d’une tension aux bornes des électrodes et la circulation d’un courant dans le circuit extérieur requièrent une dissymétrie dans la constitution de la cellule photovoltaïque*. Ceci est souvent obtenu par des jonctions semi-conductrices. Par exemple, si le semi-conducteur de base est dopé de type n, la face avant sera dopée de type p, créant près de la surface éclairée une jonction p/n. Cette jonction produit en son voisinage immédiat une variation spatiale des niveaux d’énergie associée à l’existence d’un champ électrique* dirigé de la zone n vers la zone p. La jonction p/n provoque ainsi une barrière pour les électrons souhaitant aller du côté n au côté p, ce qui handicape leur sortie par la face avant. En face arrière, au contraire, on renforce le dopage* du semi-conducteur de type n (on parle de « zone n+ »), ce qui produit à la jonction n/n+ un champ électrique dirigé de la zone n+ vers l’intérieur du semi-conducteur de type n favorisant le passage des électrons vers la zone n+ et donc leur sortie par la face arrière. Les variations des niveaux d’énergie et les champs électriques induits par les jonctions produisent des effets inverses sur les trous, ce qui assure la dissymétrie nécessaire à l’établissement d’une tension et d’un courant global dans la cellule et dans le circuit extérieur (figure 2).

Fig. 2 – Représentation schématique des niveaux d’énergie du bas de la bande de conduction, EC, et du haut de la bande de valence, EV dans une cellule photovoltaïque* constituée d’un absorbeur* semi-conducteur de type n, avec une jonction p/n en face avant et une jonction n/n+ en face arrière. Des photons absorbés créent des paires électron-trou qui se thermalisent très rapidement. Au voisinage immédiat des jonctions (zones orangées) existent un champ électrique et une variation spatiale des niveaux d’énergie. La jonction p/n constitue un handicap pour la sortie par la face avant des électrons* créés par la lumière dans la bande de conduction ; en revanche, la jonction n/n+ favorise leur sortie par la face arrière. C’est l’inverse pour les trous*, qui sont drainés par la face avant

4Les performances photovoltaïques d’une cellule sont données par le rendement de conversion, qui est le rapport entre la puissance électrique maximale qu’elle peut produire et la puissance lumineuse arrivant à sa surface. Les deux origines principales de limitation de ce rendement sont la nonabsorption des photons d’énergie inférieure au gap du semi-conducteur et les pertes par thermalisation des photons absorbés ayant une énergie nettement supérieure au gap. Il y a donc un compromis à faire dans le choix du semi-conducteur afin d’adapter son gap au spectre solaire : réduire le gap permet d’absorber davantage de photons (le courant extrait de la cellule sera plus important) mais conduit à de grandes pertes par thermalisation (la tension délivrée par la cellule sera plus petite), alors que c’est l’inverse si l’on augmente le gap. La valeur optimale se situe autour de 1,4 eV, et le rendement théorique maximum est de 33 % environ, le meilleur rendement atteint en pratique étant de 25 %. Pour limiter les pertes par thermalisation tout en absorbant le maximum de photons, on empile plusieurs jonctions fabriquées à l’aide de semi-conducteurs ayant des gaps décroissants depuis la surface éclairée vers l’intérieur de la cellule. Le record de rendement actuel est de 44 % ; il a été obtenu sous lumière concentrée avec des cellules à trois jonctions p/n formées dans des matériaux dont le gap vaut respectivement 1,9 eV, 1,4 eV et 0,65 eV. Le rendement théorique maximal d’un système à trois jonctions sous lumière concentrée est de 63 %, ce qui laisse encore une bonne marge de progression, en attendant la mise en œuvre de nouveaux concepts, tels que la conversion de photons ou l’extraction de porteurs chauds, qui permettent de pousser davantage la limite théorique de rendement.

Bibliographie

Référence bibliographique

• J. NELSON – The Physics of Solar Cells, Imperial College Press, 2009.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Schéma de principe général d’un générateur photovoltaïque et circulation des électrons*. L’énergie lumineuse est absorbée par la cellule, une partie de l’énergie est transférée à des électrons, qui sont extraits dans le circuit extérieur et circulent pour alimenter une charge électrique (courant I de sens opposé à la circulation des électrons). L’énergie des électrons extraits est supérieure à celle des électrons qui sont restitués à la cellule (tension U), la différence étant dissipée dans la charge
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Légende Fig. 2 – Représentation schématique des niveaux d’énergie du bas de la bande de conduction, EC, et du haut de la bande de valence, EV dans une cellule photovoltaïque* constituée d’un absorbeur* semi-conducteur de type n, avec une jonction p/n en face avant et une jonction n/n+ en face arrière. Des photons absorbés créent des paires électron-trou qui se thermalisent très rapidement. Au voisinage immédiat des jonctions (zones orangées) existent un champ électrique et une variation spatiale des niveaux d’énergie. La jonction p/n constitue un handicap pour la sortie par la face avant des électrons* créés par la lumière dans la bande de conduction ; en revanche, la jonction n/n+ favorise leur sortie par la face arrière. C’est l’inverse pour les trous*, qui sont drainés par la face avant
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Auteur

Physicien, Directeur de recherche au CNRS, Responsable de l’équipe Semi-conducteurs en couches minces, LGEP/Supélec, Gif-sur-Yvette.
jean-paul.kleider@lgep.supelec.fr

© CNRS Éditions, 2013

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