Énergie solaire - Effet photovoltaïque

Il est essentiel que nous ayons des connaissances de base sur les jonctions PN avant de passer à l'apprentissage du concept d'effet photovoltaïque.

La jonction PN

Le PN Junction a été inventé par Russell des laboratoires Bell aux États-Unis. Il fait référence à une jonction entre deux semi-conducteurs, c'est-à-dire de type P et de type N. Russell a découvert que les deux semi-conducteurs ont un comportement intéressant à la jonction qui provoque la conduction dans une seule direction.

Un semi-conducteur de type P a des trous (absence d'électrons) comme porteurs de charge majoritaires. Un semi-conducteur de type N a des électrons comme porteurs de charge majoritaires.

Dans le schéma ci-dessus, à la jonction -

  • Les charges supplémentaires se diffusent aux jonctions opposées de sorte que le positif du côté p gagne des charges négatives et les neutralise.

  • De même, les négatifs du côté N gagnent des charges positives et les neutralisent.

  • Cela forme une marge (m) de chaque côté où la charge supplémentaire est épuisée pour rendre cette région neutre et à un état d'équilibre. Cette région est appeléedepletion layer et aucune charge de part et d'autre des croix.

  • La couche d'appauvrissement offre une barrière de potentiel et nécessite donc une tension externe pour la surmonter. Ce processus s'appellebiasing.

  • Conduire, en forward biasing, la tension appliquée doit pomper les électrons (négatifs) de la jonction n vers le côté p de la jonction. Un flux continu de courant garantit un mouvement constant d'électrons pour remplir les trous, d'où la conduction à travers la couche d'appauvrissement.

  • Inverser la tension appliquée, dans un processus appelé reverse biasing, provoque la dérive des trous et des électrons, augmentant la couche d'appauvrissement.

  • Une charge externe est connectée à une cellule solaire avec une borne positive connectée aux plaquettes côté N et la borne négative aux plaquettes côté P. Une différence de potentiel est créée parphotovoltaic effet.

Le courant obtenu par les électrons déplacés par les photons n'est pas suffisant pour donner une différence de potentiel significative. Le courant est donc contenu pour provoquer d'autres collisions et libérer plus d'électrons.

Effet photovoltaïque

Une cellule solaire utilise le concept d'une jonction pn pour capturer l'énergie solaire. La figure suivante montre le niveau de fermi d'un semi-conducteur.

Pour qu'un semi-conducteur soit conducteur, les électrons doivent traverser l'écart d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction. Ces électrons nécessitent une certaine énergie pour se déloger et se déplacer à travers l'espace de valence. Dans les cellules solaires, les photons émis par le Soleil fournissent l'énergie nécessaire pour surmonter l'écart.

Un photon incident sur la surface pourrait être absorbé, réfléchi ou transmis. S'il est réfléchi ou transmis, il n'aide pas à déloger un électron et est donc gaspillé. Par conséquent, un photon doit être absorbé pour fournir l'énergie nécessaire pour déloger et déplacer les électrons à travers l'espace de valence.

Si E ph est l'énergie d'un photon et EG est l'énergie de seuil pour traverser l'écart d'énergie, alors les résultats possibles, lorsque le photon frappe la surface d'un semi-conducteur sont -

  • Eph < EG - Dans ce cas, le photon n'atteint pas le seuil et ne fera que passer.

  • Eph = EG - Le photon a le seuil exact pour déloger un électron et créer une paire d'électrons de trous.

  • Eph > EG- L'énergie photonique dépasse le seuil. Cela crée une paire électron-trou, bien que ce soit un gaspillage, car l'électron redescend dans l'écart d'énergie.

Absorption du rayonnement solaire

Dans la plupart des cas, le coefficient d'absorption du semi-conducteur est utilisé pour déterminer l'efficacité d'absorption de l'énergie solaire. Un faible coefficient signifie une mauvaise absorption. Par conséquent, la distance parcourue par un photon dépend à la fois du coefficient d'absorption ( α ) et de la longueur d'onde du rayonnement ( λ ).

$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$

Où, k est le coefficient d'extinction.