Technologie photovoltaïque: mise en lumière

Le contexte de développement des énergies renouvelables

Le 20ème siècle a vu monté une inquiétude majeure concernant les modifications climatiques et l’effet des gaz à serre sur la couche d’ozone notamment.
Nous consommons actuellement, sans pour autant reconstituer les réserves, les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) dont le stockage s’est effectué durant des millions d’années. De plus, l’utilisation de ces ressources fossiles génère d’importantes quantités de dioxyde de carbone (CO2 ), actuellement source d’inconvénients majeurs pour la planète. La technologie photovoltaïque est donc une solution prometteuse pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles et atténuer les impacts du changement climatique.

Il est crucial de garder à l’esprit la disparité entre les vitesses de production et de consommation de ces ressources, car c’est cette disparité qui entraîne une augmentation rapide de la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, puis dans les océans (le cycle pour ce dernier cas est de l’ordre de 10 siècles). Si l’on prend en compte le fait qu’un surplus de dioxyde de carbone par rapport à l’équilibre « calco-carbonique » entraîne la mise en solution du carbonate de calcium, composant essentiel des coraux et des carapaces de crustacés, on réalise que les conséquences qui en découlent ne seront pas anodines. La réaction générale s’écrit simplement :

CO2 (g) + CaCO3 (s) + H2O D 2 HCO3 ˉ + Ca2+ (g) : gaz ; (s) : solide

Un excès de CO2 favorisera donc la transformation de la gauche vers la droite, alors que c’est l’inverse qui se produit actuellement.

En effet, le dioxyde de carbone (qui est acide) a la capacité de libérer le carbonate ( une base) du solide où il est engagé. Pour se libérer des énergies issues des combustibles fossiles, il est nécessaire de se tourner vers le concept d’énergie « renouvelable ».

Energie solaire, réservoir inépuisable

L’objectif consiste à exploiter de manière optimale l’énergie solaire, qui représente le seul véritable réservoir inépuisable, étant donné que c’est le soleil qui est à l’origine de divers types de phénomènes.

• L’évaporation de l’eau (des mers, des fleuves, …) avant sa condensation sous forme de pluies qui alimentent les barrages et font tourner des turbines à plus basse altitude.
• Les vents, et par conséquent l’énergie éolienne, sont générés par le mouvement ascendant de l’air chaud en altitude, créant ainsi une aspiration locale et les vents correspondants, car l’air chaud est moins dense que l’air froid.
• Le chauffage des panneaux solaires thermiques, qui génèrent de l’eau chaude
• La photosynthèse qui produit de la biomasse et qui ne dispose d’aucune autre source d’énergie essentielle pour son fonctionnement.

Dans ce contexte : lorsqu’un semi-conducteur s’expose au rayonnement solaire, il entraîne la séparation des charges électriques, générant ainsi un courant électrique.

Quelques repères historiques du développement de la technologie photovoltaïque

La première observation d’un photocourant remonte à 1839, lorsque E. Becquerel a réalisé des expériences en utilisant une électrode en platine et une autre en cuivre oxydé plongées dans une solution conductrice acide.

Au 19e siècle, vers 1877, WG Adams et RE Day ont découvert les propriétés semi-conductrices du sélénium.

Cependant, les avancées significatives dans le domaine de la technologie photovoltaïque n’ont eu lieu qu’au 20e siècle. En 1905, Einstein a proposé une interprétation théorique de l’effet photoélectrique, mais les applications pratiques ne sont apparues qu’au milieu du siècle. En 1941, la première jonction p-n en silicium a été créée, suivie par la construction d’une cellule solaire à haut rendement par les chercheurs des Bell Telephone Laboratories en 1955, ainsi que l’invention des fameux transistors. Le grand public était alors principalement familier avec le germanium, un matériau semi-conducteur.

Qu’est ce le principe des semi-conducteurs dans la technologie photovoltaïque

Un semi-conducteur est un composé dont la conductivité électrique augmente par addition d’impuretés dans sa structure. En effet, la conductivité est plus forte que celle des isolants, mais plus faible que celle des métaux. Le semi-conducteur le plus fréquemment utilisé se compose de silicium (Si), un élément chimique qui s’associe souvent à l’oxygène pour former la silice SiO2, ce qui le rend très abondant dans la nature.
Chaque atome de silicium (Si) possède quatre électrons périphériques, connus sous le nom d’électrons de valence. Chacun de ces quatre électrons peut être partagé avec un électron provenant de l’un de ses quatre voisins. Il permet ainsi de créer quatre liaisons avec ses plus proches voisins. Il y a donc huit électrons externes autour de chaque Si (configuration stable).

Qu’est ce qu’un semi-conduteur ?

Le principe est ensuite d’utiliser les éléments voisins dans la classification périodique, comme le phosphore P et le bore B, qui ont respectivement un électron périphérique en plus et un électron périphérique en moins que le silicium.
Si parfois un atome de phosphore (P) remplace un atome de silicium (Si) dans la structure (comme une impureté représentant une fraction de %), il apporte non pas quatre, mais cinq électrons dans sa couche externe, ce qui lui donne une configuration avec neuf électrons périphériques, qui n’est plus stable. Un électron (bord bleu épais) a donc tendance à quitter ce système où il n’est pas bienvenu. Elle devient alors une charge négative mobile (entourée de pointillés). Elle laisse donc derrière elle une charge positive fixe (trait gras), liée à l’atome de phosphore. Le caractère négatif de la charge mobile a donné à ce type de semi-conducteur son appellation « de type n ».

Le cas du semi-conducteur de type p est symétrique par rapport au précédent. L’atome de bore (B) n’a que trois électrons périphériques. Dans ce cristal, l’électron en pointillés a besoin de se lier avec un électron supplémentaire présent dans le cristal. Une fois qu’il a fait cela, l’électron devient fixe et s’associe au bore. C’est l’équivalent d’une charge positive (défaut d’électron) quittant l’atome de bore pour devenir un « trou » positif mobile. En somme, pour revenir à 4 électrons. Les impuretés libèrent un électron (cas de P) ou en capturent un (cas de B).

La jonction n – p

Une partie du semi-conducteur est « dopée n », et l’autre « p ». Ces deux couches se séparent par un plan dit de jonction. Les électrons (majoritaires) sont les charges électriques mobiles présentes dans la zone n. Les charges fixes celles de l’élément dopant (phosphore par exemple); inversement, dans la zone p les trous positifs (absences d’électrons) sont mobiles. Les électrons du dopant (B par exemple) sont fixes. En l’absence de toute tension électrique externe, les charges mobiles se déplacent vers le plan de jonction. Ainsi elles laissent derrière elles des charges fixes. Ces dernières génèrent un champ électrique intense. Ce champ électrique est dirigé de n vers p. Il permet de repousser les charges mobiles éventuelles vers les deux extrémités. La région voisine du plan de jonction est alors désertée par les charges mobiles.

Cellule sous éclairement

A présent, nous établissons une connexion dans un circuit électrique contenant une jonction n-p et nous illuminons la partie n qui est très mince. Lorsque des photons lumineux porteurs de l’énergie solaire suffisante pénètrent dans le cristal, ils libèrent des électrons supplémentaires. L’excès de ces électrons a tendance à quitter la zone n vers l’extérieur car ils sont repoussés. Le champ électrique très fort les repoussent au voisinage du plan de jonction.

Qu’est ce que le photocourant ?

Il apparaît alors un courant dans le circuit extérieur (par définition dans le sens inverse de celui des électrons). C’est le photocourant, qui ne circule que dans un seul sens. Il va de la zone p vers la zone n dans le circuit électrique. Il va de la zone n vers la zone p dans le semi-conducteur. L’origine du terme « semi-conducteur » est donc liée à ce sens unique de circulation du courant. Il est aussi lié à une plus grande résistance à son passage (en comparaison de ce qui se passe pour les métaux). On obtient ainsi un convertisseur pour la technologie photovoltaïque, permettant l’obtention d’une différence de potentiel utilisable. Cela représente donc une source de courant électrique susceptible d’alimenter un appareil électrique.

Technologie photovoltaïque: l’interaction photon – semi-conducteur

Nous avons vu qu’en présence d’un circuit extérieur les électrons sont contraints de circuler. L’énergie requise pour leur mise en circulation varie selon la nature des atomes auxquels ils sont associés. Einstein a montré l’existence d’une bande interdite caractéristique de chaque atome. Barrière qu’il faut franchir pour mettre les électrons en mouvement. L’exposition d’un semi-conducteur à un flux lumineux, permet l’absorption des photons qu’il contient.

Cependant il faut que l’énergie du photon soit suffisante pour que l’électron puisse quitter la bande de valence (où il sert à assurer la cohésion de la structure) vers la bande de conduction (où il est mobile et capable de générer un courant électrique). Pour le silicium, pour surmonter cette « barrière », il est nécessaire d’avoir une énergie minimale de 1,1 électron-volt (eV), correspondant à la partie la moins énergétique du rayonnement solaire. Cette énergie s’associe à des longueurs d’onde proches de 1 micromètre, situées dans le proche infrarouge.

Que sont les multijonctions ?

Pour optimiser l’utilisation de l’ensemble du spectre solaire, y compris la partie UV, il a été nécessaire d’incorporer dans la technologie photovoltaïque plusieurs jonctions distinctes, superposées. Pour chacune d’elles, la bande interdite se trouve adaptée à une partie donnée du spectre solaire. On appelle ça le concept de multijonctions. Le rendement énergétique de la cellule, c’est-à-dire le pourcentage du rayonnement transformé en énergie.