PHOTOÉLECTRIQUE EFFET

L'effet photovoltaïque

Dans une chaîne de conducteurs, un éclairement peut produire une force électromotrice ; il y a alors conversion directe d'énergie lumineuse en énergie électrique. Cet effet, appelé effet photovoltaïque, a été découvert par Antoine Becquerel, dès 1839, avec une chaîne de conducteurs comportant des électrolytes. Cet effet ne prit de l'importance que beaucoup plus tard, avec l'apparition des cellules à couche d'arrêt utilisées dans les posemètres photographiques, et surtout avec les piles solaires. Le fonctionnement des générateurs photovoltaïques repose sur les propriétés des jonctions. Ces jonctions peuvent être du type p-n entre deux fragments d'un même semiconducteur dopés différemment, ou entre deux semiconducteurs différents (hétérojonctions). Les jonctions entre métal et semiconducteur, et mêmes des jonctions entre électrolytes, possèdent des propriétés analogues, mais les plus utilisées sont actuellement les jonctions p-n, et on exposera le principe des générateurs voltaïques en considérant une jonction entre deux semiconducteurs n et p possédant la même largeur de bande interdite E_g.

Lorsqu'une jonction est en équilibre à l'obscurité, les niveaux de Fermi, dans les parties n et p, sont alignés et les bandes de conduction et de valence se raccordent. Si la jonction est éclairée, la lumière absorbée par elle y crée des paires électrons-trous. Les électrons libres sont entraînés vers la partie n et les trous positifs vers la partie p. Pour utiliser le générateur, on raccorde les extrémités libres A et B des parties n et p des semiconducteurs à un circuit d'utilisation. Il s'établit entre A et B une différence de potentiel qui dépend de l'éclairement et du courant qui est admis par ce circuit. Cette différence de potentiel ne peut dépasser E_g/e, mais il est possible de grouper plusieurs jonctions en série. D'un autre côté, le courant créé par un flux de lumière apportant N photons par seconde ne peut dépasser Ne. La puissance électrique obtenue n'est qu'une partie de la puissance lumineuse reçue, elle ne peut dépasser ni même atteindre la limite NE_g. En effet, tous les photons incidents ne sont pas absorbés dans la partie utile du dispositif. D'autre part, un photon d'énergie hν > E_g produit une énergie électrique au plus égale à E_g et un photon d'énergie hν < E_g ne produit aucune énergie électrique. Comme dans la lumière solaire, l'énergie des photons est répartie de zéro à l'infini avec un maximum qui se situe vers 2 eV ; l'énergie utilisable est maximale lorsque E_g se situe entre 1 et 2 eV. Si, GaAs, CdS, CdSe répondent à cette condition. Enfin, les électrons libres et les trous produits ne parviennent pas tous aux circuits d'utilisation et une grande partie d'entre eux se recombine dans les parties n et p avec les trous et les électrons libres ; il y a alors dissipation d'énergie sous forme de chaleur ou de lumière.

Ces trois phénomènes limitent le rendement énergétique d'un générateur photovoltaïque à quelques centièmes (le maximum théorique pour l'énergie solaire est de l'ordre de 0,12). La faiblesse du rendement ne constitue pas cependant une objection majeure à une utilisation industrielle, puisqu'il est possible, en multipliant la surface de captation, d'obtenir une énergie aussi grande qu'on le veut. La seule limitation est le prix de revient des cellules et l'encombrement de l'installation.