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Qu'est-ce que le photovoltaïque ?

2022-12-22

Le photovoltaïque est la conversion directe de la lumière en électricité au niveau atomique. Certains matériaux présentent une propriété connue sous le nom d'effet photoélectrique qui les amène à absorber des photons de lumière et à libérer des électrons. Lorsque ces électrons libres sont capturés, il en résulte un courant électrique qui peut être utilisé comme électricité.

L'effet photoélectrique a été noté pour la première fois par un physicien français, Edmund Bequerel, en 1839, qui a découvert que certains matériaux produisaient de petites quantités de courant électrique lorsqu'ils étaient exposés à la lumière. En 1905, Albert Einstein a décrit la nature de la lumière et l'effet photoélectrique sur lesquels repose la technologie photovoltaïque, pour laquelle il a ensuite remporté un prix Nobel de physique. Le premier module photovoltaïque a été construit par Bell Laboratories en 1954. Il était présenté comme une batterie solaire et n'était surtout qu'une curiosité car il était trop cher pour être largement utilisé. Dans les années 1960, l'industrie spatiale a commencé à faire la première utilisation sérieuse de la technologie pour fournir de l'énergie à bord des engins spatiaux. Grâce aux programmes spatiaux, la technologie a progressé, sa fiabilité a été établie et le coût a commencé à baisser. Pendant la crise énergétique des années 1970, la technologie photovoltaïque a été reconnue comme une source d'énergie pour des applications non spatiales.

Le schéma ci-dessus illustre le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque de base, également appelée cellule solaire. Les cellules solaires sont constituées des mêmes types de matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, utilisés dans l'industrie de la microélectronique. Pour les cellules solaires, une plaquette semi-conductrice mince est spécialement traitée pour former un champ électrique, positif d'un côté et négatif de l'autre. Lorsque l'énergie lumineuse frappe la cellule solaire, des électrons sont expulsés des atomes du matériau semi-conducteur. Si des conducteurs électriques sont attachés aux côtés positif et négatif, formant un circuit électrique, les électrons peuvent être capturés sous la forme d'un courant électrique, c'est-à-dire de l'électricité. Cette électricité peut ensuite être utilisée pour alimenter une charge, comme une lumière ou un outil.

Un certain nombre de cellules solaires connectées électriquement les unes aux autres et montées dans une structure de support ou un cadre est appelée un module photovoltaïque. Les modules sont conçus pour fournir de l'électricité à une certaine tension, comme un système commun de 12 volts. Le courant produit dépend directement de la quantité de lumière qui frappe le module.

Les dispositifs PV les plus courants d'aujourd'hui utilisent une seule jonction, ou interface, pour créer un champ électrique dans un semi-conducteur tel qu'une cellule PV. Dans une cellule PV à simple jonction, seuls les photons dont l'énergie est égale ou supérieure à la bande interdite du matériau de la cellule peuvent libérer un électron pour un circuit électrique. En d'autres termes, la réponse photovoltaïque des cellules à simple jonction est limitée à la partie du spectre solaire dont l'énergie est supérieure à la bande interdite du matériau absorbant, et les photons de plus faible énergie ne sont pas utilisés.

Une façon de contourner cette limitation consiste à utiliser deux (ou plusieurs) cellules différentes, avec plus d'une bande interdite et plus d'une jonction, pour générer une tension. Celles-ci sont appelées cellules "multijonctions" (également appelées cellules "cascade" ou "tandem"). Les dispositifs multijonctions peuvent atteindre une efficacité de conversion totale plus élevée car ils peuvent convertir une plus grande partie du spectre énergétique de la lumière en électricité.

Comme illustré ci-dessous, un dispositif multijonction est un empilement de cellules individuelles à jonction unique dans l'ordre décroissant de la bande interdite (Eg). La cellule supérieure capture les photons à haute énergie et transmet le reste des photons pour qu'ils soient absorbés par les cellules à bande interdite inférieure.

Une grande partie de la recherche actuelle sur les cellules multijonctions se concentre sur l'arséniure de gallium en tant que l'une (ou la totalité) des cellules constitutives. Ces cellules ont atteint des rendements d'environ 35 % sous une lumière solaire concentrée. D'autres matériaux étudiés pour les dispositifs multijonctions ont été le silicium amorphe et le diséléniure de cuivre et d'indium.

À titre d'exemple, le dispositif multijonction ci-dessous utilise une cellule supérieure de phosphure de gallium-indium, "une jonction tunnel", pour faciliter le flux d'électrons entre les cellules, et une cellule inférieure d'arséniure de gallium.

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