Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque? - CEA

DComment fonctionne une cellulesolaire photovoltaïque?L’effet photovoltaïque utilisédans les cellulessolaires permet de convertirdirectement l’énergie lumineusedes rayons solaires enélectricité par le biais de laproduction et du transportdans un matériau semiconducteurde charges électriquespositives et négativessous l’effet de la lumière. Cematériau comporte deuxparties, l’une présentant unexcès d’électrons et l’autre undéficit en électrons, ditesrespectivement dopée de type n etdopée de type p. Lorsque la premièreest mise en contact avec la seconde,les électrons en excès dans le matériaun diffusent dans le matériau p. Lazone initialement dopée n devient chargéepositivement, et la zone initialementdopée p chargée négativement.Il se crée donc entre elles un champélectrique qui tend à repousser lesélectrons dans la zone n et les trousvers la zone p. Une jonction (dite p-n)a été formée. En ajoutant des contactsmétalliques sur les zones n et p, unediode est obtenue. Lorsque la jonctionest éclairée, les photons d’énergie égaleou supérieure à la largeur de la bandeinterdite communiquent leur énergieaux atomes, chacun fait passer unélectron de la bande de valence dansla bande de conduction et laisse aussicontact sur zone nzonedopée nzonedopée pcontact sur zone pabsorption des photonsgénérationdes porteurscollecte desporteursun trou capable de se mouvoir, engendrantainsi une paire électron-trou. Siune charge est placée aux bornes dela cellule, les électrons de la zone nrejoignent les trous de la zone p via laconnexion extérieure, donnant naissanceà une différence de potentiel: lecourant électrique circule (figure).L’effet repose donc à la base sur les propriétéssemi-conductrices du matériauet son dopage afin d’en améliorer laconductivité. Le silicium employéaujourd’hui dans la plupart des cellulesa été choisi pour la présence de quatreélectrons de valence sur sa couchepériphérique (colonne IV du tableau deMendeleïev). Dans le silicium solide,chaque atome – dit tétravalent – est liéà quatre voisins, et tous les électronsde la couche périphérique participentaux liaisons. Si un atome de silicium estIremplacé par un atome dela colonne V (phosphore parexemple), un de ses cinqélectrons de valence ne participepas aux liaisons; par agitationthermique, il va très vitepasser dans la bande deconduction et ainsi devenir librede se déplacer dans le cristal,laissant derrière lui un trou fixelié à l’atome de dopant. Il y aconduction par un électron, etle semi-conducteur dit dopé detype n. Si au contraire un atomede silicium est remplacé parun atome de la colonne III (bore parexemple) à trois électrons de valence,il en manque un pour réaliser toutesles liaisons, et un électron peut rapidementvenir combler ce manque etoccuper l’orbitale vacante par agitationthermique. Il en résulte un trou dans labande de valence, qui va contribuer àla conduction, et le semi-conducteurest dit dopé de type p. Les atomes telsque le bore ou le phosphore sont doncdes dopants du silicium. Les cellulesphotovoltaïques sont assemblées pourformer des modules.N.B. Voir dans Les cellules photovoltaïquesorganiques : vers le toutpolymère… le principe des cellulesphotovoltaïques organiques (encadré,p. 122).

Le principe de fonctionnement d’unecellule photovoltaïque organiqueAprès absorption des photons par le polymère, des paires électron-trou liées(excitons) sont générées, puis dissociées. Compte tenu des limitations propresaux matériaux organiques (durée de vie des excitons, faible mobilité descharges), seule une faible fraction des paires électron-trou générées par lesphotons contribue effectivement au photocourant. L’une des idées majeuresest de distribuer en volume les sites de photogénération pour améliorer ladissociation des excitons. Cette démarche est basée sur l’augmentation dela surface de la jonction, grâce à la mise en œuvre d’un réseau interpénétréde type donneur/accepteur (D/A) assurant le transport des trous (P + ) versl’anode (ITO) et le transport des électrons (e - ) vers la cathode métallique (enaluminium Al, par exemple). Si le rendement quantique de séparation descharges photo-induites des systèmes associant un polymère semi-conducteur(de type PPV ou polythiophène) à un dérivé du fullerène (PCBM) est ainsiproche de l’unité, l’enjeu est désormais de limiter les phénomènes de recombinaisonet de piégeage qui limitent le transport et la collection des chargesaux électrodes, afin d’augmenter l’efficacité globale des dispositifs qui demeureencore aujourd’hui faible (inférieure à 5%). L’essor de la filière est égalementtrès fortement conditionné par la maîtrise et la compréhension desmécanismes de vieillissement des cellules mais aussi par la maîtrise destechnologies en couches minces pour la protection des dispositifs vis-à-visde l’oxygène et de la vapeur d’eau atmosphériques.+électrode métallique (cathode)++e - e -e - P+e -e - e -+P+ +e -+PCBMaccepteurphotonsalkoxy-PPVdonneuranode (ITO) sur substrat de verre ou de plastiquee -réseau interpénétréFigure tirée d’une présentation de S. Saricifitci (www.lios.at)La ligne bleue en pointillés correspond au parcours des trous dans le matériau.