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Anatomie d’une cellule photovoltaïque

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
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De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

  
DossiersLes cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
 

S'il est de plus en plus fréquent d'observer des panneaux solaires installés sur des toits, leur anatomie interne reste bien souvent méconnue, comme leur principe de fonctionnement. Le cœur d'une installation solaire n'est autre qu'un ensemble de cellules photovoltaïques composées de matériaux semi-conducteurs. Découvrons en détail ce qui se passe lorsqu'un photon y pénètre, percute un atome de silicium et excite un électron.

Les habitations françaises abritant des installations photovoltaïques possèdent en moyenne 10 à 20 panneaux solaires sur leur toit. En réalité, chaque panneau est composé d'une quarantaine de composants électroniques, ceux-là mêmes qui produisent l'électricité lorsqu'ils sont exposés à la lumière : les cellules photovoltaïques.

Elles doivent, pour être fonctionnelles, pouvoir réaliser trois types d'opération :

  • absorber la lumière et produire en retour des paires électrons-trous ;
  • faire migrer les charges créées vers deux extrémités différentes ;
  • et enfin, les évacuer grâce à des circuits externes.

Analysons ces différentes étapes plus en détail.

Séparation des charges en présence de lumière

Les matériaux semi-conducteurs constituent le cœur des cellules photovoltaïques. Leurs atomes possèdent des électrons présentant des niveaux d'énergie discrets bien définis (selon la théorie des bandes). Ils sont alors sur leur bande de valence. Cependant, l'arrivée de photons peut changer la donne.

Lors de collisions avec les atomes, les photons peuvent transférer leur énergie aux électrons, au point de les exciter et ainsi de les forcer à quitter leur bande de valence pour rejoindre la bande de conduction (ce qui est possible grâce à la faible épaisseur de la bande interdite). Ils peuvent alors se déplacer dans la matière, tout en laissant un « trou » derrière eux. Pour rappel, les électrons sont chargés négativement. Les trous ont donc une charge positive.

Cette première étape est importante, mais elle ne suffit pas pour générer le courant souhaité. Il faut parvenir à séparer les trous des électrons pour éviter leur recombinaison.

La jonction p-n, clé du succès des cellules photovoltaïques

La meilleure solution pour séparer les charges consiste à utiliser un champ électrique qui doit, pour bien faire, apparaître spontanément durant la fabrication des cellules. C'est pourquoi le fonctionnement même des cellules photovoltaïques repose sur l'utilisation de jonctions p-n

En interagissant avec les atomes du semi-conducteur, les photons provoquent la formation d’une paire électron-trou. Les charges sont séparées grâce à la jonction p-n qui se crée lorsque l’on met en contact deux couches de semi-conducteurs dopés différemment. © CEA

Les cellules photovoltaïques au silicium cristallin, les plus vendues dans le monde, se composent en réalité d'un semi-conducteur dont les parties supérieures et inférieures sont dopées différemment. Elles se distinguent par le nombre de charges négatives qu'elles possèdent. La première est dite « dopée de type n » (pour négatif), car elle renferme un surplus d'électrons par rapport au matériau non dopé, tout en restant neutre électriquement. La seconde est quant à elle « dopée de type p » (pour positif), car elle affiche un déficit en électrons.

Lorsque les deux couches sont mises en contact, les électrons en excès de la partie n diffusent spontanément vers la région déficitaire. Les couches n et p deviennent alors respectivement positive et négative. Il se crée donc un champ électrique qui tend à repousser les électrons excités par les photons vers la couche n, et les trous vers la couche p, où des collecteurs se chargent de les récolter. On peut ainsi mesurer une différence de potentiel entre les deux structures. Si la cellule est illuminée et que l'on ferme le circuit en raccordant ses deux bornes à un réseau électrique ou sur un appareil, un courant électrique est fourni par la cellule.

Le dopage des semi-conducteurs

L'efficacité du système repose donc sur la facilité avec laquelle le semi-conducteur peut donner des électrons, ainsi que sur le dopage des différentes couches qui améliore la conductivité des charges. Concrètement, en quoi consiste ce dopage ?

Les atomes de silicium (Si) possèdent quatre électrons de valence. Cet élément est donc classé dans la colonne IVA du tableau de Mendeleïev. Tous ces électrons de valence établissent des relations avec les atomes voisins au sein du matériau. Il n'y a donc pas d'électron à donner pour la réalisation de la jonction p-n.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont eu l'idée de remplacer des atomes de Si par des atomes possédant cinq électrons périphériques, comme les atomes de phosphore, d'arsenic ou d'antimoine (colonne VA du tableau de Mendeleïev). Quatre d'entre eux se lient aux atomes de silicium voisins, tandis que l'agitation thermique suffit pour faire monter le cinquième électron sur sa bande de conduction, d'où il peut alors répondre à l'existence de la jonction p-n. 

Organisation atomique d’un semi-conducteur, ici du silicium (Si) dopé n. Un atome de Si a été remplacé par un atome de phosphore (en rouge). L’un des électrons du phosphore (e-) ne peut pas établir de liaison avec un atome voisin. Il peut donc facilement se déplacer. © Guillom, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Le dopage de la couche p fonctionne selon le même principe, si ce n'est qu'un atome de silicium est remplacé par un atome possédant trois électrons de valence, comme l'atome de bore (colonne III dans le tableau de Mendeleïev). Des trous apparaissent donc spontanément dans le semi-conducteur dopé p, puisque le nouvel arrivant ne se lie qu'à trois atomes de Si, et non quatre. Cette couche possède donc des sites de liaison qui restent vacants jusqu'à l'arrivée des charges négatives de la couche n. 

Organisation atomique d’un semi-conducteur, ici du silicium dopé p. Un atome de bore, qui ne possède que trois électrons, a remplacé un atome de silicium. L’un des électrons de l’atome de silicium situé à droite du bore (en vert) ne peut donc pas établir de liaison. © Guillom, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Tous ces concepts vont dorénavant servir de fil rouge à ce dossier. En effet, quelles que soient les cellules décrites, elles possèdent toutes des matériaux dopés établissant des jonctions p-n. Avant de plonger dans l'anatomie d'une cellule au silicium cristallin, découvrons comment ses principaux constituants sont fabriqués.