I.2.4. Conversion photovoltaïque
La conversion de la lumière en électricité
rassemble trois phénomènes physiques intimement liés et
simultanés :
· L'absorption de la lumière dans le
matériau
· Le transfert d'énergie des photons aux charges
électriques
· La collecte des charges
Absorption de la lumière
La lumière se compose des photons (gains de
lumière) et chacun porteur d'une énergie dépendante de sa
longueur d'onde.
Le rayon lumineux qui arrive sur un solide peut donc subir trois
événements optiques :
o La réflexion : la lumière est renvoyée par
la surface de l'objet ;
o La transmission : la lumière traverse l'objet ;
o L'absorption : la lumière pénètre dans
l'objet et n'en sort plus, l'énergie est restituée sous une autre
forme.
absorption
Flux incident
I(flux incident) =
R(réfléchi)+A(absorbé)+T(transmis)
transmission
réflexion
Figure I.2.- Répartition du rayonnement solaire sur un
corps
Dans un matériau photovoltaïque, une partie du
flux lumineux absorbé sera restitué sous forme d'énergie
électrique. Donc au départ, il faut que le matériau ait la
capacité d'absorber la lumière visible. Ce qui fait qu'on prendra
soin de minimiser les pertes purement optiques par la réflexion ou par
transmission.
Transfert d'énergie des photons aux charges
électriques(1)
Dans ce paragraphe on va s'intéresser à la
lumière absorbée dans le matériau photovoltaïque et
expliquer comment l'énergie contenue dans le photon est convertie en
électricité.
Les charges élémentaires qui vont produire le
courant électrique sous illumination sont des électrons, charges
négatives élémentaires, contenues dans la matière
semiconductrice. Tout solide est en effet constitué d'atomes qui
comprennent chacun un noyau(constitué de protons et neutrons) et un
ensemble d'électrons gravitant tout autour.
Les photons absorbés vont transférer leur
énergie aux électrons périphériques(les plus
éloignés du noyau),leur permettant ainsi de se libérer de
l'attraction du noyau. Ces électrons libérés sont
susceptibles de produire un courant électrique si on les attire ensuite
vers l'extérieur.
(a)
Eg Gap optique
Bande de valence(électrons liés)
Bande de conduction(électron libre)
Photon 1,E=Eg
(b)
Désexcitation spontanée
Photon 2,E>Eg
Charge positive
Charge négative
En régime permanent, l'électron
libéré laisse un trou qui se traduit par une charge positive. Si
cet électron est attiré au dehors, c'est l'électron d'un
atome voisin qui viendra combler ce trou, laissant à nouveau un trou,
lui même comblé par un électron voisin et ainsi de suite.
On génère ainsi une circulation de charges
élémentaires d'électrons dans un sens et de trous dans
l'autre sens, ce qui donne un courant électrique.
Il existe dépendant du matériau, un seuil
d'énergie minimum nécessaire à cette libération des
électrons par les photons.
On appelle ce seuil, le gap optique du matériau ou la
largeur de bande interdite. En effet si le photon a une énergie
inférieure, il ne pourra pas créer la paire électron- trou
et ne sera pas absorbé. Les propriétés optiques et
électroniques sont intimement liées.
Si un photon a une énergie supérieure ou
égale au gap optique, ce qu'il a une longueur d'onde inférieure
à une certaine valeur puisque ces deux grandeurs sont inversement
proportionnelles :
E= ftc2. (I.1)
Avec : E : énergie du photon
h : la constante de Planck c : la vitesse de la lumière
A : la longueur d'onde
Tous les photons d'énergie supérieure à
ce seuil et donc de longueur d'onde inférieure, sont
opérationnels pour le conversion photovoltaïque.
La figure I.3. présente les différents états
d'énergie dans le matériau semi conducteur.
Dans le domaine d'énergie situé sous le gap
optique se trouvent les électrons de valence du matériau,
c'est-à-dire ceux qui sont liés aux atomes. Dans la bande de
conduction se trouvent ceux qui en ont été extraits et sont
libres de circuler dans le matériau. Elle est donc vide quand le
semi-conducteur n'est pas illuminé. Lorsqu'un photon a une
énergie suffisante, il est absorbé et fait passer un
électron de la bande de valence à la bande de conduction.
Lorsqu'il a une énergie supérieure à Eg, le photon2
de la figure I.3.b génère une paire électron-trou
à un niveau, mais l'excédent est perdu par un processus de
désexcitation spontané qui produit de la chaleur et ramène
son énergie à Eg. Donc quelque soit son énergie, pourvu
qu'elle soit supérieure à Eg, chaque photon absorbé ne
crée qu'une paire électron-trou d'énergie Eg.
Collecte des charges
Pour que les charges libérées par la
lumière soient génératrices d'énergie, il faut
qu'elles circulent et donc il faut les attirer hors du semi-conducteur dans un
circuit électrique pour que les électrons ne retrouvent pas leurs
états initiaux à la périphérie de leurs atomes.
Sinon cela libérera de l'énergie thermique au lieu de celle
électrique. On doit donc engendrer un champ électrique à
l'intérieur du semi-conducteur grâce au dopage de ce dernier.
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