Le fonctionnement des cellules

De Arebor-Energie.

   Le fonctionnement d’une cellule photovoltaique repose sur l’apparition d’une tension électrique entre sa face supérieure et sa face inférieure en présence de lumière. Cette tension est rendue possible par la superposition de deux couches de semi-conducteur, le silicium en général, dont l’une est enrichie par des atomes ayant un surplus d’électrons libres de façon à la rendre négative (couche N), alors que l’autre couche sera dopée positive par un déficit en électrons libres (couche P), créant ainsi une sorte de « trou Â» à l’endroit où il manque des électrons.

Figure 1 : Représentation des charges électriques présentes sur les couches N et P avant leur mise en contact.

   Ces deux couches de silicium enrichies sont électriquement neutres. Le nombre d’électrons et de protons est équilibré dans chaque couche. Cependant, les électrons libres de la couche N cherchent à combler les trous présents dans la couche P. Une partie de la couche N devient donc chargée positivement, et une partie de la couche P devient négative. La partie intermédiaire entre N et P se transforme alors en champ magnétique. On appelle cette zone d’échange la « Zone de Charge d’Espace Â» ou ZCE. Cette zone est très importante dans le fonctionnement de la cellule photovoltaïque car les électrons ne peuvent y circuler que dans un sens, de P vers N. Le fonctionnement de la jonction P-N s’apparente donc à celui d’une diode.

Figure 2 : Lors de la mise en contact des deux couches, les électron libres de la couche N partent combler les vides de la couche P.

Figure 3 : Lors de la mise en contact apparaît la ZCE. Une partie de chaque couche prend alors une charge électrique, formant un champ magnétique.

   Lorsque la cellule est exposée à la lumière, les photons transmettent leur énergie aux électrons présents dans le semi-conducteur. Avec ce surplus d’énergie, les électrons se trouvent expulsés de l’atome auquel ils étaient attachés, créant ainsi à la fois un électron libre et un trou. Lorsque l’électron est arraché de la ZCE, il ne trouve pas de trou où se placer puisque ceux-ci sont déjà comblés. L’électron arraché se dirige donc vers le pôle positif (la couche N) car il possède une charge négative (les opposés s’attirent). Inversement, le trou laissé par l’électron arraché se dirige vers le pôle négatif puisqu’il possède une charge positive. Les électrons n’ont pas le choix : le champ magnétique les force à s’accumuler dans la couche N. C’est ainsi que la cellule s’apparente à une diode : les électrons arrachés de la ZCE se dirigent systématiquement vers la couche N, et le courant est à sens unique.

Figure 4 : Lorsqu’un photon touche un atome de silicium de la ZCE, il libère un électron libre qui se dirige vers la couche N à cause du champ magnétique.

   L’étape suivante consiste à installer des capteurs électriques sur la couche N et la couche P, et de mettre en place un circuit électrique en alimentant par exemple une lampe. Le surplus d’électrons présents dans la couche N cherche à rejoindre le surplus de trous de la couche P, mais il ne peut pas passer directement à travers la jonction P-N. Ils sont donc obligés de traverser le circuit et de créer un courant électrique. La cellule photovoltaïque s’est donc transformée en générateur.

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