L '«effet photovoltaïque» est le processus physique de base par lequel une cellule PV convertit la lumière solaire en électricité. La lumière du soleil est composée de photons ou de particules d'énergie solaire. Ces photons contiennent différentes quantités d'énergie correspondant aux différentes longueurs d'onde du spectre solaire.
Lorsque les photons frappent une cellule PV, ils peuvent être réfléchis ou absorbés, ou ils peuvent passer à travers. Seuls les photons absorbés génèrent de l'électricité. Lorsque cela se produit, l'énergie du photon est transférée à un électron dans un atome de la cellule (qui est en fait un semi-conducteur).
Grâce à sa nouvelle énergie, l'électron est capable de s'échapper de sa position normale associée à cet atome pour faire partie du courant dans un circuit électrique. En quittant cette position, l'électron provoque la formation d'un "trou". Les propriétés électriques spéciales de la cellule PV, un champ électrique intégré, fournissent la tension nécessaire pour conduire le courant à travers une charge externe (telle qu'une ampoule).
Pour induire le champ électrique dans une cellule PV, deux semi-conducteurs séparés sont pris en sandwich ensemble. Les types "p" et "n" de semi-conducteurs correspondent à "positif" et "négatif" en raison de leur abondance de trous ou d'électrons (les électrons supplémentaires font un type "n" parce qu'un électron a en fait un négatif charge).
Bien que les deux matériaux soient électriquement neutres, le silicium de type n a des électrons en excès et le silicium de type p a des trous en excès. Le fait de les prendre en sandwich ensemble crée une jonction p / n à leur interface, créant ainsi un champ électrique.
Lorsque les semi-conducteurs de type p et de type n sont pris en sandwich ensemble, les électrons en excès dans le matériau de type n s'écoulent vers le type p, et les trous ainsi libérés pendant ce processus s'écoulent vers le type n. (Le concept d'un trou qui se déplace ressemble un peu à regarder une bulle dans un liquide. Bien que ce soit le liquide qui se déplace réellement, il est plus facile de décrire le mouvement de la bulle lorsqu'elle se déplace dans la direction opposée.) ce flux d'électrons et de trous, les deux semi-conducteurs agissent comme une batterie, créant un champ électrique à la surface où ils se rencontrent (connu sous le nom de "jonction"). C'est ce champ qui fait sauter les électrons du semi-conducteur vers la surface et les rendre disponibles pour le circuit électrique. En même temps, les trous se déplacent dans la direction opposée, vers la surface positive, où ils attendent les électrons entrants.
Dans une cellule PV, les photons sont absorbés dans la couche p. Il est très important de "régler" cette couche sur les propriétés des photons entrants pour en absorber le plus possible et ainsi libérer le plus d'électrons possible. Un autre défi est d'empêcher les électrons de se rencontrer avec des trous et de "se recombiner" avec eux avant de pouvoir s'échapper de la cellule.
Pour ce faire, nous concevons le matériau de sorte que les électrons soient libérés le plus près possible de la jonction, afin que le champ électrique peut aider à les faire passer à travers la couche de "conduction" (la couche n) et à circuit. En maximisant toutes ces caractéristiques, nous améliorons l'efficacité de conversion * de la cellule PV.
Pour fabriquer une cellule solaire efficace, nous essayons de maximiser l'absorption, de minimiser la réflexion et la recombinaison, et ainsi de maximiser la conduction.
La façon la plus courante de fabriquer un matériau de silicium de type p ou de type n consiste à ajouter un élément qui a un électron supplémentaire ou qui manque d'un électron. Dans le silicium, nous utilisons un processus appelé "dopage".
Nous utiliserons le silicium comme exemple, car le silicium cristallin était le matériau semi-conducteur utilisé dans les premiers appareils photovoltaïques à succès, c'est toujours le matériau photovoltaïque le plus utilisé, et, bien que d'autres matériaux et conceptions photovoltaïques exploitent l'effet PV de manière légèrement différente, sachant comment l'effet fonctionne dans le silicium cristallin nous donne une compréhension de base de son fonctionnement dans tous les appareils
Comme illustré dans ce diagramme simplifié ci-dessus, le silicium a 14 électrons. Les quatre électrons qui orbitent autour du noyau dans le niveau d'énergie le plus externe, ou "valence", sont donnés à, acceptés par, ou partagés avec d'autres atomes.
Toute matière est composée d'atomes. Les atomes, à leur tour, sont composés de protons chargés positivement, d'électrons chargés négativement et de neutrons neutres. Les protons et les neutrons, qui sont de taille approximativement égale, constituent le "noyau" central serré de l'atome, où se trouve presque toute la masse de l'atome. Les électrons beaucoup plus légers orbitent autour du noyau à des vitesses très élevées. Bien que l'atome soit construit à partir de particules de charges opposées, sa charge globale est neutre car il contient un nombre égal de protons positifs et d'électrons négatifs.
Les électrons gravitent autour du noyau à différentes distances, selon leur niveau d'énergie; un électron avec moins d'orbites d'énergie près du noyau, tandis que l'un des plus grandes orbites d'énergie est plus éloigné. Les électrons les plus éloignés du noyau interagissent avec ceux des atomes voisins pour déterminer la façon dont les structures solides sont formées.
L'atome de silicium a 14 électrons, mais leur disposition orbitale naturelle permet uniquement aux quatre externes de ceux-ci d'être donnés, acceptés ou partagés avec d'autres atomes. Ces quatre électrons externes, appelés électrons de "valence", jouent un rôle important dans l'effet photovoltaïque.
Un grand nombre d'atomes de silicium, à travers leurs électrons de valence, peuvent se lier ensemble pour former un cristal. Dans un solide cristallin, chaque atome de silicium partage normalement l'un de ses quatre électrons de valence dans une liaison "covalente" avec chacun des quatre atomes de silicium voisins. Le solide est donc constitué d'unités de base de cinq atomes de silicium: l'atome d'origine plus les quatre autres atomes avec lesquels il partage ses électrons de valence. Dans l'unité de base d'un solide de silicium cristallin, un atome de silicium partage chacun de ses quatre électrons de valence avec chacun des quatre atomes voisins.
Le cristal de silicium solide est donc composé d'une série régulière d'unités de cinq atomes de silicium. Cet arrangement régulier et fixe d'atomes de silicium est connu sous le nom de «réseau cristallin».
Le processus de "dopage" introduit un atome d'un autre élément dans le cristal de silicium pour modifier ses propriétés électriques. Le dopant a trois ou cinq électrons de valence, par opposition aux quatre du silicium.
Les atomes de phosphore, qui ont cinq électrons de valence, sont utilisés pour doper le silicium de type n (car le phosphore fournit son cinquième électron libre).
Un atome de phosphore occupe la même place dans le réseau cristallin qui était autrefois occupée par l'atome de silicium qu'il a remplacé. Quatre de ses électrons de valence prennent en charge les responsabilités de liaison des quatre électrons de valence de silicium qu'ils ont remplacés. Mais le cinquième électron de valence reste libre, sans responsabilités de liaison. Lorsque de nombreux atomes de phosphore remplacent le silicium dans un cristal, de nombreux électrons libres deviennent disponibles.
Substituer un atome de phosphore (avec cinq électrons de valence) à un atome de silicium dans un cristal de silicium laisse un électron supplémentaire non lié qui est relativement libre de se déplacer autour du cristal.
La méthode de dopage la plus courante consiste à recouvrir le sommet d'une couche de silicium de phosphore, puis à chauffer la surface. Cela permet aux atomes de phosphore de se diffuser dans le silicium. La température est ensuite abaissée pour que le taux de diffusion tombe à zéro. D'autres méthodes d'introduction de phosphore dans le silicium comprennent la diffusion gazeuse, un dopant liquide processus de pulvérisation, et une technique dans laquelle les ions de phosphore sont entraînés précisément dans la surface de la silicium.
Bien sûr, le silicium de type n ne peut pas former le champ électrique par lui-même; il est également nécessaire de modifier le silicium pour avoir les propriétés électriques opposées. Ainsi, le bore, qui a trois électrons de valence, est utilisé pour doper le silicium de type p. Le bore est introduit lors du traitement du silicium, où le silicium est purifié pour être utilisé dans les appareils photovoltaïques. Lorsqu'un atome de bore prend une position dans le réseau cristallin autrefois occupé par un atome de silicium, il y a une liaison qui manque un électron (en d'autres termes, un trou supplémentaire).
Comme le silicium, tous les matériaux photovoltaïques doivent être transformés en configurations de type p et de type n pour créer le champ électrique nécessaire qui caractérise une cellule photovoltaïque. Mais cela se fait de différentes manières, selon les caractéristiques du matériau. Par exemple, silicium amorphe une structure unique rend nécessaire une couche intrinsèque (ou i couche). Cette couche non dopée de silicium amorphe se place entre les couches de type n et de type p pour former ce que l'on appelle une conception "p-i-n".
Polycristallin des films minces comme le diséléniure de cuivre et d'indium (CuInSe2) et le tellurure de cadmium (CdTe) sont très prometteurs pour les cellules PV. Mais ces matériaux ne peuvent pas être simplement dopés pour former des couches n et p. Au lieu de cela, des couches de matériaux différents sont utilisées pour former ces couches. Par exemple, une couche "fenêtre" de sulfure de cadmium ou d'un matériau similaire est utilisée pour fournir les électrons supplémentaires nécessaires pour le rendre de type n. CuInSe2 peut lui-même être de type p, tandis que CdTe bénéficie d'une couche de type p en un matériau comme le tellurure de zinc (ZnTe).
Arséniure de gallium (GaAs) est modifié de manière similaire, généralement avec de l'indium, du phosphore ou de l'aluminium, pour produire une large gamme de matériaux de type n et p.
* L'efficacité de conversion d'une cellule PV est la proportion d'énergie solaire que la cellule convertit en énergie électrique. Ceci est très important lors de l'examen des appareils photovoltaïques, car l'amélioration de cette efficacité est essentielle pour rendre l'énergie photovoltaïque compétitive par rapport aux sources d'énergie plus traditionnelles (par exemple, les combustibles fossiles). Naturellement, si un panneau solaire efficace peut fournir autant d'énergie que deux panneaux moins efficaces, le coût de cette énergie (sans parler de l'espace requis) sera réduit. À titre de comparaison, les premiers appareils photovoltaïques ont converti environ 1% à 2% de l'énergie solaire en énergie électrique. Les appareils photovoltaïques d'aujourd'hui convertissent 7% à 17% de l'énergie lumineuse en énergie électrique. Bien sûr, l'autre côté de l'équation est l'argent qu'il en coûte pour fabriquer les appareils photovoltaïques. Cela a également été amélioré au fil des ans. En fait, les systèmes PV d'aujourd'hui produisent de l'électricité à une fraction du coût des premiers systèmes PV.