Les cellules solaires dépendent d'un phénomène connu sous le nom d'effet photovoltaïque, découvert par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Elle est liée à l'effet photoélectrique, un phénomène par lequel des électrons sont éjectés d'un matériau conducteur lorsque la lumière l'éclaire. Albert Einstein (1879-1955) a remporté le prix Nobel de physique en 1921 pour son explication de ce phénomène, en utilisant des principes quantiques qui étaient nouveaux à l'époque. Contrairement à l'effet photoélectrique, l'effet photovoltaïque a lieu à la frontière de deux plaques semi-conductrices, et non sur une seule plaque conductrice. Aucun électron n'est réellement éjecté lorsque la lumière brille. Au lieu de cela, ils s'accumulent le long de la frontière pour créer une tension. Lorsque vous connectez les deux plaques avec un fil conducteur, un courant circule dans le fil.
La grande réussite d'Einstein, et la raison pour laquelle il a remporté le prix Nobel, était de reconnaître que l'énergie des électrons éjectés d'un plaque photoélectrique dépendait - non pas de l'intensité lumineuse (amplitude), comme le prédit la théorie des ondes - mais de la fréquence, qui est l'inverse de longueur d'onde. Plus la longueur d'onde de la lumière incidente est courte, plus la fréquence de la lumière est élevée et plus les électrons éjectés possèdent d'énergie. De la même manière, les cellules photovoltaïques sont sensibles à la longueur d'onde et répondent mieux à la lumière du soleil dans certaines parties du spectre que d'autres. Pour comprendre pourquoi, il est utile de revoir l'explication d'Einstein sur l'effet photoélectrique.
L'effet de la longueur d'onde de l'énergie solaire sur l'énergie électronique
L'explication d'Einstein de l'effet photoélectrique a aidé à établir le modèle quantique de la lumière. Chaque faisceau lumineux, appelé photon, possède une énergie caractéristique déterminée par sa fréquence de vibration. L'énergie (E) d'un photon est donnée par la loi de Planck: E = hf, où f est la fréquence et h est la constante de Planck (6,626 × 10−34 joule∙seconde). Malgré le fait qu'un photon ait une nature particulaire, il a aussi des caractéristiques d'onde, et pour toute onde, sa fréquence est l'inverse de sa longueur d'onde (qui est ici notée w). Si la vitesse de la lumière est c, alors f = c/w, et la loi de Planck peut s'écrire :
E=\frac{hc}{w}
Lorsque des photons tombent sur un matériau conducteur, ils entrent en collision avec les électrons des atomes individuels. Si les photons ont suffisamment d'énergie, ils éliminent les électrons dans les couches les plus externes. Ces électrons sont alors libres de circuler à travers le matériau. Selon l'énergie des photons incidents, ils peuvent être complètement éjectés du matériau.
Selon la loi de Planck, l'énergie des photons incidents est inversement proportionnelle à leur longueur d'onde. Le rayonnement à courte longueur d'onde occupe l'extrémité violette du spectre et comprend le rayonnement ultraviolet et les rayons gamma. D'autre part, le rayonnement à grande longueur d'onde occupe l'extrémité rouge et comprend le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.
La lumière du soleil contient tout un spectre de rayonnement, mais seule la lumière avec une longueur d'onde suffisamment courte produira les effets photoélectriques ou photovoltaïques. Cela signifie qu'une partie du spectre solaire est utile pour produire de l'électricité. Peu importe la luminosité ou la luminosité de la lumière. Il doit juste avoir – au minimum – la longueur d'onde de la cellule solaire. Le rayonnement ultraviolet à haute énergie peut pénétrer les nuages, ce qui signifie que les cellules solaires devraient fonctionner par temps nuageux – et c'est ce qu'elles font.
Fonction de travail et écart de bande
Un photon doit avoir une valeur énergétique minimale pour exciter suffisamment les électrons pour les faire sortir de leurs orbitales et leur permettre de se déplacer librement. Dans un matériau conducteur, cette énergie minimale est appelée fonction de travail, et elle est différente pour chaque matériau conducteur. L'énergie cinétique d'un électron libéré par collision avec un photon est égale à l'énergie du photon moins la fonction de travail.
Dans une cellule photovoltaïque, deux matériaux semi-conducteurs différents sont fusionnés pour créer ce que les physiciens appellent une jonction PN. En pratique, il est courant d'utiliser un seul matériau, comme le silicium, et de le doper avec différents produits chimiques pour créer cette jonction. Par exemple, le dopage du silicium avec de l'antimoine crée un semi-conducteur de type N, et le dopage avec du bore crée un semi-conducteur de type P. Les électrons chassés de leurs orbites s'accumulent près de la jonction PN et augmentent la tension à ses bornes. L'énergie de seuil pour faire sortir un électron de son orbite et dans la bande de conduction est connue sous le nom de bande interdite. C'est similaire à la fonction de travail.
Longueurs d'onde minimale et maximale
Pour qu'une tension se développe à travers la jonction PN d'une cellule solaire. le rayonnement incident doit dépasser l'énergie de la bande interdite. Ceci est différent pour différents matériaux. Elle est de 1,11 électron-volt pour le silicium, qui est le matériau le plus souvent utilisé pour les cellules solaires. Un électron volt = 1,6 × 10-19 joules, donc l'énergie de la bande interdite est de 1,78 × 10-19 joules. Réorganiser l'équation de Plank et résoudre la longueur d'onde vous indique la longueur d'onde de la lumière qui correspond à cette énergie :
w=\frac{hc}{E}=1 110\text{ nanomètres}=1,11\times 10^{-6}\text{ mètres}
Les longueurs d'onde de la lumière visible se situent entre 400 et 700 nm, de sorte que la longueur d'onde de la bande passante pour les cellules solaires au silicium se situe dans la plage infrarouge très proche. Tout rayonnement avec une longueur d'onde plus longue, comme les micro-ondes et les ondes radio, n'a pas l'énergie nécessaire pour produire de l'électricité à partir d'une cellule solaire.
Tout photon d'énergie supérieure à 1,11 eV peut déloger un électron d'un atome de silicium et l'envoyer dans la bande de conduction. En pratique, cependant, les photons de très courte longueur d'onde (avec une énergie de plus d'environ 3 eV) envoient des électrons hors de la bande de conduction et les rendent indisponibles pour travailler. Le seuil de longueur d'onde supérieur pour obtenir un travail utile de l'effet photoélectrique dans les panneaux solaires dépend sur la structure de la cellule solaire, les matériaux utilisés dans sa construction et le circuit caractéristiques.
Longueur d'onde de l'énergie solaire et efficacité des cellules
En bref, les cellules photovoltaïques sont sensibles à la lumière de l'ensemble du spectre tant que la longueur d'onde est supérieure à la bande interdite du matériau utilisé pour la cellule, mais une lumière de longueur d'onde extrêmement courte est gaspillée. C'est l'un des facteurs qui affecte l'efficacité des cellules solaires. Un autre est l'épaisseur du matériau semi-conducteur. Si les photons doivent parcourir une longue distance à travers le matériau, ils perdent de l'énergie par collision avec d'autres particules et peuvent ne pas avoir assez d'énergie pour déloger un électron.
Un troisième facteur affectant l'efficacité est la réflectivité de la cellule solaire. Une certaine fraction de la lumière incidente rebondit sur la surface de la cellule sans rencontrer d'électron. Pour réduire les pertes de réflectivité et augmenter l'efficacité, les fabricants de cellules solaires recouvrent généralement les cellules d'un matériau absorbant la lumière et non réfléchissant. C'est pourquoi les cellules solaires sont généralement noires.
