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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Le principe de fonctionnement des cellules solaires. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Même si beaucoup d’entre nous l’ignorent, la manière de produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil est connue depuis plus de 100 ans. Le phénomène de photoélectricité a été observé pour la première fois par Edmond Becquerel en 1839. Dans l'une de ses nombreuses expériences avec l'électricité, il a placé deux plaques métalliques dans une solution conductrice et a éclairé l'installation avec la lumière du soleil. À sa grande surprise, il a découvert qu’une force électromotrice (FEM) était générée au cours de ce processus. Cette découverte accidentelle est passée inaperçue jusqu'en 1873, lorsque Willoughby Smith a découvert un effet similaire lorsqu'une plaque de sélénium était irradiée par la lumière. Et même si ses premières expériences furent imparfaites, elles marquèrent le début de l’histoire des cellules solaires à semi-conducteurs. À la recherche de nouvelles sources d'énergie, les Bell Labs ont inventé la cellule solaire au silicium, qui est devenue le précurseur des convertisseurs photovoltaïques actuels. Seulement au début des années 50. la cellule solaire a atteint un degré de perfection relativement élevé. Fondamentaux de la théorie des semi-conducteurs Le silicium est le principal matériau semi-conducteur de l’électronique moderne. La plupart des cellules solaires modernes sont également fabriquées à partir de silicium. Un semi-conducteur est une substance qui n’est ni un bon conducteur ni un bon isolant. Par exemple, le cuivre est un excellent conducteur, son champ d'application est très large. Partout où il est nécessaire de transférer de l’énergie électrique d’un endroit à un autre, le cuivre est un assistant indispensable. On peut en dire autant de l’aluminium. En revanche, le verre a une conductivité électrique négligeable mais constitue un bon diélectrique. Si vous devez bloquer le passage du courant électrique, un isolant en verre résoudra ce problème avec succès. À propos, les isolants des pièces polaires des premiers téléphones étaient en verre.
La conductivité électrique des semi-conducteurs se situe entre ces deux cas limites. Dans certaines applications, les semi-conducteurs peuvent servir de conducteurs, dans d’autres, ils peuvent servir d’isolants. Cependant, le silicium pur est encore plus proche des isolants et conduit très mal l’électricité. La raison en est la particularité de sa structure cristalline. Les atomes de silicium sont reliés les uns aux autres à l'aide d'électrons dits de valence. Il est préférable de considérer ces connexions comme des « mains ». Chaque atome de silicium possède quatre bras. Les atomes de silicium sont très « sociables », ils n'aiment pas la solitude. Par conséquent, ils essaient de tenir « la main » des atomes qui les entourent. Puisque chaque atome a quatre « mains » avec lesquelles il prend les « mains » de ses voisins, ils forment ensemble le réseau représenté sur la figure. 1. En conséquence, les quatre « bras » de l’atome sont occupés. Par conséquent, dans une telle structure, il n'y a pas d'électrons libres (« mains »), et sans électrons libres, un courant électrique n'est guère possible. Pour les besoins de l’électronique, cet état de fait est inacceptable. Pour que le courant circule, le cristal doit contenir des électrons libres. Ceci est réalisé en introduisant des impuretés dans la substance d'origine. Ce processus est appelé dopage. Dopage des semi-conducteurs Supposons que nous ayons pris et remplacé un atome de silicium dans notre structure cristalline par un atome ayant une valence égale à cinq (en d'autres termes, ayant cinq « bras ». Par exemple, un tel atome est un atome de bore. Une fois parmi ses « nouveaux voisins" et en prenant les "mains" avec eux, cet atome découvrira bientôt qu'une de ses "mains" est libre. (L'auteur se trompe - des atomes de phosphore d'une valence de cinq sont utilisés comme donneur (source d'électrons libres), et comme accepteurs, vous permettant d'entrer dans les charges positives (trous) des cristaux de silicium, on utilise des atomes de bore, caractérisés par une valence de trois. - Environ. éd.)
Cette « main » indépendante n’est rien d’autre qu’un électron libre. Puisque l'atome de bore est plus ou moins convaincu que quatre de ses cinq "bras" - des électrons - sont occupés, il ne s'inquiète pas particulièrement du sort du cinquième. A la moindre perturbation, l'électron se « détache ». C’est l’essence du dopage. Plus nous introduisons d’impuretés dans le cristal, plus il y aura d’électrons libres et mieux le silicium conduira le courant électrique. Lors du dopage, le processus inverse peut également se produire. Si l’atome de silicium est remplacé par un atome trivalent, tel que le phosphore, un trou apparaîtra dans notre structure. Par conséquent, le cristal manque d’électrons et il les acceptera facilement dans son réseau. Étant donné que dans une telle structure, les atomes tentent de capturer des électrons, les trous résultants se déplaceront à travers la structure dépourvue d’électrons. En effet, les électrons se déplacent de trou en trou et conduisent ainsi l’électricité. Fabrication de cellules solaires Maintenant, vous pourriez penser que si vous prenez un cristal de silicium dopé avec un manque d’électrons et un cristal dopé avec un excès d’électrons et que vous les assemblez, quelque chose doit se produire.
Avec un contact mécanique étroit entre deux cristaux, les atomes situés dans les régions proches de la surface se rapprochent tellement que les atomes de phosphore cèdent facilement leurs électrons supplémentaires et que les atomes de bore les acceptent facilement. En conséquence, l’équilibre électrique du cristal est rétabli. Mais rappelez-vous que les cristaux ont une structure très rigide, donc l’échange n’aura lieu qu’entre les atomes les plus proches les uns des autres. L'épaisseur de la zone de ce contact ne dépasse pas la taille de plusieurs atomes et le volume du semi-conducteur reste inchangé. Bien sûr, il ne suffit pas d’assembler deux morceaux de silicium pour obtenir cet effet. Le silicium est le plus souvent dopé par un procédé de diffusion à haute température. En conséquence, à la limite entre les régions situées en profondeur dans le semi-conducteur, dopées avec différentes impuretés, une région d’interface hyperfine, appelée jonction pn, se forme. C'est dans cette région que la conversion de la lumière en électricité a lieu. Lorsqu’une particule de lumière, appelée photon, frappe une jonction pn avec suffisamment d’énergie, elle détruit un électron, le rendant libre, c’est-à-dire capable de se déplacer. L'énergie du photon est ensuite transférée à l'électron. Dans ce cas, un trou se forme dans le réseau cristallin. Il ne faut pas oublier que la région en transition tend à maintenir l’équilibre. Ce processus, appelé photoionisation, se produit non seulement dans la région de la jonction pn, mais également dans toute autre partie du cristal, dans laquelle pénètre la lumière du soleil, ayant une énergie suffisamment importante nécessaire pour créer des porteurs de charge libres - un électron et un trou. En raison du manque de trous dans le matériau de type n et du manque d’électrons dans le matériau de type p, le trou et l’électron sont séparés et migrent dans des directions différentes. Mais maintenant, l’équilibre est rompu. Un électron qui a reçu l'énergie d'un photon cherche à se reconnecter à son antipode (trou) et est prêt à y dépenser son énergie. Malheureusement, la jonction pn constitue une barrière potentielle que l’électron ne peut pas surmonter. Cependant, si nous connectons les régions avec des conducteurs de type p et n avec un conducteur, alors cet obstacle sera surmonté avec succès et l'électron "passera" jusqu'à son trou par la "porte arrière". Dans ce cas, l'électron dépense en cours de route son énergie, que nous utilisons. Caractéristiques des cellules solaires La jonction pn est un formidable obstacle au mouvement des électrons. Mais on ne peut pas le qualifier d’irrésistible. L'énergie qu'un électron reçoit d'un photon n'est généralement pas suffisante pour qu'il puisse surmonter cette barrière et se connecter à un trou, mais ce n'est pas toujours le cas.
La hauteur de la barrière de potentiel de la jonction pn est d'environ 600 mV (0,6 V). Les électrons ayant des énergies supérieures à 600 mV peuvent « escalader » ce mur et être absorbés. Par conséquent, la tension maximale qu’une cellule solaire peut développer est de 600 mV. Cependant, la valeur réelle dépend du type de matériau semi-conducteur et de la conception de la cellule solaire.
Connecter une charge à une cellule solaire réduit l’énergie de certains électrons, y compris les plus énergétiques. En conséquence, la tension totale de la cellule solaire et le nombre d’électrons capables de franchir la barrière de jonction pn sont réduits. À mesure que la résistance de charge augmente, un nombre croissant d’électrons seront « pompés » à travers elle et la tension diminuera encore plus. Cependant, à un moment donné, une chose étrange se produit. À 450 mV (0,45 V), le courant (flux électronique) cesse d'augmenter même si la tension continue de diminuer. Le « plateau » du courant est atteint. Ce phénomène est dû au nombre fini de photons incidents sur la jonction pn. On sait que plus les photons atteignent la jonction pn, plus les électrons sont libérés. Plus de photons - plus de courant. Cependant, il arrive un moment où littéralement chaque photon entré dans la jonction pn est utilisé et le nombre d'électrons libres, et donc le courant, n'augmente plus. Cela correspond à l'apparition d'un « plateau » dans les caractéristiques de la cellule solaire. Bien entendu, le nombre d’électrons libres dépend également de la surface et de l’intensité lumineuse. Évidemment, à mesure que la surface cellulaire augmente, davantage de photons sont capturés et le courant augmente. De même, à mesure que l’intensité lumineuse augmente, la concentration de photons dans une zone donnée augmente, ce qui augmente également le courant. Efficacité des cellules solaires Habituellement, l’intensité moyenne de la lumière solaire atteignant la surface de la Terre est estimée à 100 mW/cm2. Autrement dit, une cellule solaire de 10x10 cm2 devrait théoriquement générer 10 watts de puissance. Malheureusement, aucune cellule solaire ne peut produire une telle énergie : il y aura toujours des pertes. Le rendement (facteur de rendement) le plus élevé atteint jusqu'à présent (et même avec des photocellules en cascade dans le laboratoire expérimental) est d'environ 30 %. L'efficacité d'une cellule solaire au silicium conventionnelle varie de 10 à 13 %. Un élément d'une superficie de 100 cm2 peut générer environ 1 watt de puissance. Bien entendu, l’efficacité d’une cellule solaire dépend de nombreux facteurs, parmi lesquels le changement de température ambiante est le plus important. À mesure que la température augmente, le réseau cristallin est excité et ses atomes vibrent plus intensément. Ceci entraîne à son tour une augmentation du niveau d’énergie des électrons à l’intérieur de la structure. Au fil du temps, lorsque le niveau d'énergie des électrons augmente tellement que la plupart d'entre eux sont capables de surmonter la barrière de potentiel de la jonction pn, la recombinaison augmente fortement dans le semi-conducteur. Cela entraîne une diminution du nombre d'électrons atteignant les collecteurs de la grille et le courant électrique dans la charge diminue. D’un autre côté, la basse température contribue à l’amélioration réelle de l’effet photoélectrique. La principale raison de la diminution de l'efficacité des cellules solaires avec l'augmentation de la température est la diminution de la valeur de la barrière de potentiel de la jonction pn, ce qui entraîne une baisse de la tension générée par la cellule. Auteur : Byers T.
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