La cellule solaire

La cellule solaire Photovoltaïque est une diode électronique PN de grande surface.

Constitution classique d'une diode PN.

Lorsqu’un matériau semi-conducteur dopé de type n (riche en électrons) est mis en contact intime avec un autre matériau semi- conducteur dopé de type p (pauvre en électrons), la jonction PN entre les deux milieux va être le lieu d’un bouleversement. Dans cette zone étroite, les électrons en excès dans la partie n diffusent dans la partie p. Ainsi, dans la zone n il se crée près de la jonction une région chargée positivement (où il manque des électrons).

Symétriquement dans la zone p, il se crée une région chargée négativement (où il y’ a excès d’électrons). A l’équilibre, entre ces deux zones chargées positivement et négativement (zone de déplétion : zone de charge d’espace), il s’est donc créé un champ électrique dirigé de la région p à la région n et une différence de potentiel Vd apparaît. Ce champ électrique est fondamental pour le fonctionnement des cellules solaires.

La caractéristique I(v) de la diode PN.

Les électrons mobiles dans le semi-conducteur peuvent provenir soit de la région n (porteurs majoritaires), soit de la région p (porteurs minoritaires). On peut mettre en évidence le comportement de ces deux types de porteurs en appliquant une tension continue variable V aux bornes de la diode (à l’obscurité) et en fermant le circuit sur une résistance.
Si cette tension supplémentaire V est positive, la différence de potentiel entre les zones n et p est diminuée et les porteurs de charge majoritaires pourront plus facilement traverser la zone de charge d’espace donnant donc lieu à un courant Id dirigé de la région p à la région n, intense car dû aux majoritaires. Ce courant Id augmente avec la température de la jonction et avec

la tension appliquée V.
Si cette tension supplémentaire V est négative, la différence de potentiel entre les zones n et p est augmentée et seuls les porteurs de charge minoritaires pourront traverser la zone de charge d’espace donnant lieu à un courant Is dirigé de la région n à la région p, faible car dû aux minoritaires. Ce courant Is augmente avec la température de la jonction. A de trop fortes valeurs négatives de la tension appliquée V, la jonction claque par effet d’avalanche et elle est détruite.

Ceci résulte en l’équation de la caractéristique à l’obscurité I_D(V) de la diode I_D(v)=I_s[exp(V/cte)-1].

L’absorption de la lumière.

Dans un matériau semi-conducteur, pour qu’un électron lié à son atome et participant aux liaisons chimiques (bande de valence), devienne libre et mobile (bande de conduction) dans un éventuel champ électrique, il faut entre autres conditions, lui transférer une énergie minimale, par exemple par absorption de photons ou par élévation de la température. Tous les photons du spectre

solaire peuvent être absorbés par les électrons, mais tous ne donnent pas lieu à une promotion d’électrons vers la bande de conduction.
Dans le cas du silicium, seuls les photons de longueur d’onde inférieure à 1,1 µm peuvent être utilement absorbés, les autres ne donnent lieu qu’à une élévation de la température.

Les paires électron trou

Seules les paires électron trou générées près de la zone de déplétion ou en son sein pourront être séparées par l’ intense champ électrique qui y règne et produire un courant électrique qu’il faut collecter en réalisant les contacts avant et arrière. Ce courant photovoltaïque est directement proportionnel à l’intensité de l’éclairement et est dirigé de la région n à la région p, il est noté I_ph.

Couleur bleue des cellules solaires.

Une tranche de silicium réfléchit près de 40% du rayonnement. En réalisant sur la face avant des couches anti-reflets dont la transmission optique est optimisée pour le domaine de longueurs d’onde d’irradiance maximale du spectre solaire, la surface traitée ne réfléchit plus que 4% du rayonnement. Ce sont ces couches anti-reflets qui donnent aux cellules solaires leur couleur bleu alors que le silicium est naturellement gris. Par variation de l’épaisseur de ces couches, on obtient également des cellules solaires de différentes couleurs, toujours au prix d’une perte de puissance.

La caractéristique I(v) de la cellule solaire.

Une cellule solaire reliée à une résistance électrique et soumise à l’éclairement solaire débite un courant qui va se répartir entre la résistance et sa structure interne de diode. Sa caractéristique I(v) correspond à la soustraction du photocourant et du courant de la diode à l’obscurité.

I(v)= I_ph - I_D(v) = I_ph – I_s[exp(V/cte)-1].
Pour une température de jonction et un éclairement donnés, une cellule solaire n’impose ni la tension, ni le courant généré. Seule la courbe I(v) est imposée c.à.d seule la relation liant le courant extrait à la tension est fixée.