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Comme son nom l'indique, l'effet photovoltaïque génère un courrant électrique à partir de la lumière. Afin d'en apprécier au mieux le principe de fonctionnement, il est nécessaire d'avoir quelques notions d'électronique et d'électricité. Nous ferons donc certains rappels des principes de base.
Un courant électrique correspond à un déplacement de charges positives ou négatives dans un matériau permettant leur circulation.
Un corps est électriquement neutre quand il possède autant de charges positives que de charges négatives.
Tout atome est constitué d'un noyau central lourd et d'un nuage d'électrons périphériques. Un électron est un porteur de charge négative. Le noyau de l'atome est constitué de neutrons et de protons. Le proton est un porteur de charge positive alors que le neutron est une particule de charge neutre.
Nous savons que deux porteurs de charges de même signe se repoussent alors que deux porteurs de charges de signes opposés s'attirent ; c'est cette propriété qui permet de générer tout type de courrant électrique.
Si en partant de deux corps strictement identiques, nous arrivons à appliquer au corps A une charge positive et au corps B une charge négative (ou simplement inférieure à la charge globale de A), alors nous aurons réalisé une différence de potentiel entre le corps A et le corps B qui est notée UAB = VA – VB et appelée tension électrique. Dès lors que nous relions A et B par un conducteur métallique, des charges négatives (électrons) vont se mettre en mouvement par le principe d'attraction pour parcourir le chemin de B vers A jusqu'à égalisation des potentiels de A et B. Un courrant électrique noté IAB est alors créé entre A et B. Notons que dans les métaux les porteurs de charges mobiles sont les électrons. Par conséquent, si UAB = VA – VB > 0, les porteurs de charges se déplacent du point B vers le point A, soit dans le sens opposé au sens conventionnel du courant.
L'avantage des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, est que sous l'effet de la lumière, il est possible d'exciter des électrons faiblement accrochés à leurs atomes, et de les rendre ainsi mobiles.
En effet, selon les corps, un atome peut avoir un nuage d'électrons qui lui sont propres (situés dans la bande de valence) et qui ne peuvent lui être arrachés que très difficilement, c'est le cas des matériaux isolants. Les métaux quant à eux ont un nuage d'électrons autour de leurs noyaux qui se situent dans la bande de conduction (bande de valence non complète), et le déplacement de certains d'entre eux est donc rendu possible à la moindre sollicitation : ce sont les matériaux conducteurs.
Remarquons que c'est l'agencement des atomes entre eux qui permettra de déterminer si le corps présente une conductivité faible ou élevée. En effet, le graphite est conducteur alors que le diamant ne l'est pas, pourtant les deux corps sont uniquement composés de carbone.
Dans le cas des semi-conducteurs, lorsque le corps est éclairé, une particule de lumière (photon) peut entrer en contact avec un atome. Il communiquera alors son énergie à un électron de sorte que si le transfert d'énergie est suffisant (c.f niveau de Fermi) cet électron sera propulsé hors de la bande de valence dans la bande de conduction, laissant derrière lui un trou. Le corps devient alors conducteur.
Pour pouvoir ensuite diriger les électrons il faudra polariser le semi-conducteur. Cette opération sera réalisée lors de la phase de dopage du silicium, qui en augmentera la conductivité.
Dopage P
Le réseau cristallin du silicium est tel qu'un atome est lié à 4 autres atomes de façon tétraédrique ( tétraèdre centré ). La dernière couche électronique est complète (8 électrons), et même si l'on sait que la lumière reçue permettra de faire sauter des électrons de la bande de valence à la bande de conduction, il existe un moyen d'augmenter la conductivité en injectant dans le cristal des impuretés. Le dopage P consistera à injecter des atomes n'ayant que 3 électrons sur leur couche externe comme le Bore, de façon à créer dans la matrice du cristal un manque d'électrons.
Dopage N
De la même façon, le dopage N consiste à incorporer des atomes ayants 5 électrons sur leur couche externe comme le phosphore ou l'arsenic. Ainsi le nouveau corps présentera un excès d'électrons.
Jonction P-N
La mise en contact des couches dopées respectivement P et N va aboutir à un déplacement des porteurs de charges au niveau de la jonction de telle sorte les électrons en excès de la zone N vont aller combler le manque d'électrons de la zone P. Une fois ces paires électron-trou regroupées, elles ne participent plus à la conductivité car l'appariement correspond à la chute d'un électron de la bande de conduction dans la bande de valence. Notons que ce déplacement n'aura lieu qu'à proximité de la jonction et non dans la totalité du cristal du fait d'une attraction électron-trou relativement faible.
Ce déplacement des porteurs de charges majoritaires a finalement polarisé le cristal. En effet, lorsque les électrons en excès de la zone N ont rejoint la jonction, ils ont laissé derrière eux des atomes de dopant avec un électron en moins : ces atomes de dopant sont donc devenus des ions positifs. De la même manière, les trous de la zone P qui se sont déplacés vers la zone N ont laissé derrière eux des ions de dopant négatifs.
Notons qu'un trou n'est en fait qu'une particule imaginaire (absence d'électron) qui se déplacerait dans le sens opposé à l'électron et qui aurait une charge électrique strictement opposée.
Ces ions positifs et négatifs aux frontières de la jonction vont donc créer un champ électrostatique. Dès lors que des particules seront mises en mouvement à proximité de la jonction, sous l'effet de la lumière, ce champ électrostatique dirigera les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P. Il suffira alors de placer des contacts sur l'arrière des faces P et N pour pouvoir collecter le courant qui correspondra à un déplacement d'électrons de N vers P.
Remarquons que tant que le circuit reste ouvert, les électrons vont s'accumuler dans la zone N jusqu'à égaliser le champ électrostatique, ce après quoi les paires électron-trou supplémentaires passeront à nouveau la jonction de façon à se recombiner : la tension est alors maximale.
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