Introduction :

Cet article a pour but de décrire le fonctionnement d’un panneau solaire photovoltaïque. Mais le but de cette explication est de décrire le fonctionnement dans la profondeur de la matière !!

La production d’électricité est assurée grâce aux propriétés des matériaux constituant le panneau solaire. Ceux-ci appartiennent à la grande famille des semi-conducteurs. Ces matériaux, aux propriétés intrasèques si particulières sont utilisés en majorité dans l’électronique. Mais certaines caractéristiques permettent de rendre possible la création d’électricité par des surfaces soumises à un éclairement.

Aussi, avant de comprendre comment l’électricité est produite, il est important de connaître l’organisation de la matière ainsi que les propriétés des matériaux semi-conducteurs.

L’organisation de la matière

La structure électronique des atomes

L’air, l’eau, la terre, les êtres vivants, … sont intégralement constitué d’atomes. Ils existent un certain nombre d’atomes, et les combinaisons entre les différents atomes expliquent la présence des différents matériaux.

Un atome peut être modélisé par le schéma ci-dessous.

Atome

Un atome est constitué lui même de différents éléments :

• un noyau formé de protons (rouge) et de neutrons (orange)
• un cortège électronique constitué d’électrons (bleu) « volant » autour du noyau

Quel que soit l’atome étudié, on retrouve ces trois éléments. Mais suivant l’atome, on les retrouve dans des proportions différentes. Par exemple, l’atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron. C’est donc le plus simple atome qui existe. Autre exemple, l’atome d’uranium 235 possède 92 protons et 143 neutrons.

Les atomes sont électriquement neutres : leur charge électrique est égale à zéro. Si jamais celle-ci n’est pas nulle, on parle alors d’ions.
Les électrons sont chargés négativement (-1,60217653×10-19 Coulomb) et les protons positivement (+1,60217653×10-19 C).

Donc pour schématiser, un atome est une petite boule (le noyau) autour duquel « volent » de tous petits grains (les électrons).
Mais, en reprenant l’exemple de l’uranium 235, imaginez que 92 électrons tournent autour du noyau.
Aussi, il existe un certain nombre de règles qui contrôle la disposition des électrons autour du noyau de l’atome.

Pour comprendre comment se répartissent les électrons autour de l’atome, imaginez que celui-ci est entouré de couche d’électrons. La première couche est la plus proche du noyau, la seconde, située par dessus la première, est un peu plus loin du noyau … Chaque couche est appelée par une lettre. La première couche est la couche (K), la seconde la couche (L), (M), (N), …

Mais chaque couche ne peut accueillir qu’un nombre fixe d’électrons :

• la couche (K), orbite 1 contient : 2×1² électrons, soit 2;
• la couche (L), orbite 2 contient : 2×2² électrons, soit 8;
• la couche (M), orbite 3 contient : 2×3² électrons, soit 18;
• …
• la couche (?), orbite n contient : 2xn² électrons;

Connaitre le nombre d’électron présent sur la dernière couche est important. Cela détermine le potentiel de conduction de l’atome, et par conséquence d’un matériau constitué uniquement de celui-ci.

Au vue du nombre important d’atomes existants, les scientifiques ont adopté une méthode de classification des atomes.

La classification des éléments

Chaque atome existant sur Terre est « rangé » dans un tableau appelé Tableau périodique des éléments ou encore Table de Mendeleïev, classification périodique des éléments, ou simplement tableau périodique. Ce tableau représente tous les éléments chimiques, donc tous les atomes existant sur Terre.

Tableau de classification périodique des éléments chimiques

Dans ce tableau, les éléments ne sont pas placés au hasard : le classement des éléments est fait par numéro atomique croissant.

Mais qu’est ce que le numéro atomique ?

Le numéro atomique ( noté « Z » ) est le nombre de proton de l’élément, nombre égal au nombre d’électron car un atome est électriquement neutre.

• les lignes représentent les éléments qui ont le même nombre d’orbites occupées.
• les colonnes représentent les éléments qui ont le même nombre d’électrons de valence.

Et qu’est ce que les électrons de valence ?

Les électrons de valence sont les électrons présents sur la dernière couche électronique d’un atome, couche appelée orbite de valence.

Pour bien comprendre, on va étudier deux atomes du tableau :

Le carbone (C):

Z=6 ; il possède donc 6 protons et 6 électrons.

(K)=2, il reste 4 électrons
(M)=4;

La couche (M) est donc le couche de valence et a 4 électrons.
Le carbone est à la 2° ligne, il a bien deux couches d’utilités.
Il est dans la 4° colonne (le trou ne rentre pas en compte).

Or une des règles régissant la répartition des électrons autour du noyaux stipule que l’orbite de valence ne peut contenir que 8 électrons au maximum !

Le calcium (Ca) :

Z=20 ; il possède donc 20 protons et 20 électrons

(K)=2; reste 18 électrons
(L)=8; reste 10 électrons
(M)=8; et pas 10 car sinon cette couche serait la couche de valence, et aurait plus de 8 électrons, ce qui est impossible !!!
(N)=2;

La couche (N) est donc la couche de valence et a 2 électrons.
Le calcium est donc bien dans la 2° colonne (car 2 électrons sur la couche de valence) et à la 4° ligne (car la couche de valence est la couche (N), 4° en partant de la couche (K) ).

Il existe d’autres lois pour le remplissage des couches plus lointaines mais il n’est pas nécessaire d’en parler pour résoudre notre problème qui est, je le rappelle, la production d’électricité par un panneau solaire.

Mais comme je l’ai dit précédemment :

Citation: Xt-6

Connaitre le nombre d’électron présent sur la dernière couche est important car cela détermine le potentiel de conduction de l’atome, et par conséquence d’un matériau constitué uniquement de celui-ci.

Aussi, dans la classification des éléments, on peut identifier le potentiel de conduction des éléments en fonction de leur colonne.

Ainsi :

• les éléments qui ont 1,2 ou 3 électrons sur leur orbite de valence sont des conducteurs.
• les éléments qui ont 5,6 ou 7 sont de mauvais conducteurs.
• les éléments qui ont 8 électrons sur leur orbite de valence sont des isolants (ex Argon, Hélium, Néon, ..)
• les éléments qui ont 4 électrons sur leur orbite de valence sont des semi-conducteurs (colonne 14).

Les éléments semi-conducteurs sont indifférents pour gagner ou perdre un électron. Or c’est le « transfert » d’électron qui « crée » le courant électrique.

La structure des éléments solides : liaisons de covalence

Les atomes des éléments solides sont organisés sous forme de cristal.

Structure d'un atome de diamant

La cristallisation des atomes peut donner plusieurs résultats : par exemple pour le carbone : diamant, charbon, …

Les semi-conducteurs cristallisent sous forme cubique à faces centrées ou forme diamant.

Mais comment se fait-il que les atomes gardent cette disposition ?

Liaisons dites de Valence

Les atomes vont « partager » chacun un électron avec son voisin.

Ces deux électrons vont créer une liaison inter-atomique, appelée liaison de covalence.

Mais attention, seuls les électrons présents sur l’orbite de valence sont partagés.

Ainsi les éléments semi-conducteurs ont 4 liaisons de covalences.

Les niveaux et bandes d’énergies dans les solides

Les électrons situés sur l’orbite de valence sont plus ou moins liés à l’atome. En effet tout dépend de l’état dans lequel se trouve la matière.

Ainsi à 0°K ( -273,15°C ; zéro absolu ) tous les électrons de l’orbite de valence des matériaux semi-conducteurs sont insérés dans des liaisons de covalences. Les électrons ne peuvent pas se déplacer dans la matière. Le courant électrique ne peut donc pas se déplacer. Le matériau est isolant.

Or si on chauffe le matériau, un courant peut circuler. C’est donc que des électrons sont devenus libres de se « balader » dans le matériau. Mais qu’a-t-on réellement fait en chauffant le matériau ? On a fourni de l’énergie à ce matériau et cette énergie a permit de libérer des électrons.

Comment cela est-il possible ?

Et bien pour comprendre ce phénomène, il faut s’arrêter un instant sur la notion de niveau d’énergie.

Ainsi, chaque électron qui gravite autour d’un noyau possède une énergie.

Les électrons qui sont les plus stables sont ceux qui possèdent le moins d’énergie et qui sont situés sur l’orbite la plus proche du noyau. Au contraire, les noyaux les plus susceptibles de partir sont sur les couches externes et particulièrement sur l’orbite de valence.

De plus les niveaux d’énergies que possèdent leurs électrons vont définir le degré de liberté des électrons. Ainsi, si les électrons de l’orbite de valence reçoivent une énergie suffisante, cela peut leur permettre de devenir « libres ». Or ce sont les électrons libres qui vont participer au phénomène de conduction.

Aussi, vues les interactions régnant dans un cristal, du fait de la proximité entre atomes et électrons, les niveaux d’énergies sont remplacés par des bandes d’énergies.

Bandes d'énergie

Au niveau de l’orbite de valence, il existe trois types de bandes :

-La bande de valence (bande inférieure) qui comporte les niveaux d’énergie de tous les électrons de l’orbite de valence.

-La bande de conduction (bande supérieure) qui ne contient aucun électron de valence mais les niveaux d’énergies des états libres de l’orbite de valence.

-La bande interdite ou gap (bande du milieu) est une bande vide d’électrons ou d’états libres. Sa largeur étant exprimé en eV.

Ainsi, dans un cristal, les électrons vont devoir recevoir une énergie nécessaire à combler ce « trou » (gap en anglais) pour pouvoir devenir des électrons « libres ».

De plus, la largeur de cette bande d’énergie va permettre de définir le matériau :

Ainsi, la quantité d’électrons passant dans la bande de conduction avec l’augmentation de la température définie s’il est : isolant, semi-conducteur ou conducteur.

Les semi-conducteurs ont une bande interdite large d’environ 1 eV => Eg=1eV
Les conducteurs n’ont quasiment pas de bande interdite : Eg~0eV
Les isolants ont une large bande interdite : Eg>6eV
Pour le silicium Eg=1.1 eV

Information sur la longueur d’onde :

Mais attention, la bande interdite (ou gap) a une autre importance. Car elle correspond à la quantité d’énergie nécessaire pour faire passer un électron de son état stable à son état d’électron libre, c’est à dire d’électron excité qui se déplace grâce aux champs électriques qui règnent dans le matériau, ce qui crée un courant électrique.
Or tous les photons émis par le soleil n’arrivent pas sur Terre avec la même énergie. En effet, le spectre de la lumière est constitué de différentes zones : les infra-rouge, la lumière visible, les ultra violets …
Ainsi, seuls les photons ayant une énergie suffisante sont absorbés et transmettent leur énergie aux électrons, ceux ayant une énergie inférieure sont repoussés, ceux ayant une énergie supérieure dissipent l’excédent d’énergie sous forme de chaleur.
Aussi, si un panneau est constitué de plusieurs matériaux, il recueillera une quantité plus importante d’énergie du spectre solaire.

Pourquoi utiliser les semi-conducteurs plutôt que les conducteurs ou les isolants ?

Les conducteurs ont au maximum 3 électrons sur leur orbite de valence, c’est à dire 3 électrons potentiellement libres car les conducteurs n’ont quasiment pas de bande interdite.

Les semi-conducteurs ont quand à eux une bande interdite mais celle-ci n’est que de 1eV ; lorsqu’on va chauffer ou éclairer le semi-conducteurs les électrons de celui-ci vont absorber l’énergie délivrée par les photons ce qui va leur permettre de passer de la bande valence à la bande de conduction. Et sachant que les semi-conducteurs ont 4 électrons sur leur orbite de valence il y aura donc plus d’électrons qui pourront atteindre la bande de conduction que dans les conducteurs.

Les isolants et les mauvais conducteurs ont respectivement 8 et 5,6 ou 7 électrons sur leur orbite de valence. Ils en ont plus que les semi-conducteurs, mais leur bande interdite est plus grande. Il faut donc beaucoup plus d’énergie pour faire passer les électrons de la bande valence à la bande de conduction.

La conduction dans les matériaux semi-conducteurs

Conduction dans les semi-conducteurs en général

Si nous sommes en présence d’un matériau formé d’un cristal pur, nous avons vu plus haut qu’il a une faible conductivité à faible température. Avec l’augmentation de la température, cette conductivité va augmenter, puisque l’énergie thermique fournit va permettre à des électrons de franchir la bande interdite. Mais dans un cristal, si des électrons deviennent libres, des liaisons de covalences vont donc se briser.

L’électron étant parti, l’atome se retrouve avec une charge positive de 1.6*10^-19 Coulomb. Il manque un électron. Ce manque est appelé trou.

Ainsi, ce sont les trous et les électrons qui vont participer au phénomène de conduction.

Comment se passe le phénomène de conduction ?

Sous l’effet de la température, un électron devient « moins » lié à sa liaison de covalence. Aussi, si l’atome voisin perd un électron, notre premier électron va « sauter » et rejoindre cet autre électron pour combler le trou. Or en sautant, le trou s’est déplacé, puisque le premier atome a un trou maintenant. Ainsi, on a l’impression que le trou se déplace en direction opposée à l’électron.
Dans le silicium pur, le nombre de trous libres est égal au nombre d’électrons libres, soit 1.5*10^10 porteurs/cm3. Et ce nombre change énormément en fonction de la température.

Défaut d'électron ou Trou

il n’y a en fait qu’une seule ligne d’atome : celle du dessus montre le déplacement de l’électron, et celle inférieure celui du trou. Le trou part vers la droite alors que l’électron part vers la gauche. Il faut imaginer cela comme un avant-après : l’atome bleu clair représente un atome avec un trou.

Conduction dans les semi-conducteurs dopés N

- Lorsque que le cristal d’un semi conducteur n’est plus pur, on dit qu’il est dopé.
Si les atomes « étrangers » possèdent 5 électrons sur leur couche de valence (colonne 15 de la classification) , on les appelle atomes donneurs. Le matériau est dit dopé de type N.

Pourquoi N ?

En ayant 5 électrons sur sa couche de valence, cet atome va échanger 4 électrons avec ses voisins, et il va rester 1 électron libre, puisqu’il n’appartient pas à une liaison de valence. Il y a un surplus d’électron, chargé négativement. Le matériau est donc de type N pour négatif.

Ainsi, ce matériau contient :
- des ions positifs immobiles dans le cristal (atomes donneurs ayant perdu un électron, donc ayant un proton de plus).
- des électrons libres provenant des atomes donneurs et de l’agitation thermique.
- des trous provenant de l’agitation thermique seulement.

Dans un matériau dopé de type N, les électrons sont les porteurs majoritaires, et les trous les porteurs minoritaires.

Remarque sur l’utilité du dopage :

Dans le cas du silicium, l’agitation thermique crée 3 paires d’électrons trous pour 10^12 atomes alors que le dopage génère un électron libre pour 10^3 à 10^9 atomes. soit 1 000 à 1 000 000 fois plus.
Le dopage permet donc une conductivité beaucoup plus forte qu’un matériau pur.

Conduction dans les semi-conducteurs dopés P

- Le principe est le même que pour les matériaux dopés de type P, mais au lieu d’ajouter des atomes de la colonne 15, on ajoute des atomes de la colonne 13.

Ces atomes n’ont que 3 électrons sur leur couche de valence, donc 3 liaisons de covalences. Cette configuration permet aux électrons voisins de venir facilement combler le trou libre, générant un trou.
Ces atomes de la colonne 13 sont donc appelés des atomes accepteurs.

Les matériaux dopé P contiennent donc :
- des ions négatifs immobiles dans le réseau cristallin (atomes Accepteurs ayant gagné un électron, donc ayant un électron de plus que le nombre de portons).
- des trous provenant du dopage et de l’agitation thermique.
- des électrons provenant uniquement de l’agitation thermique.

Nous allons maintenant véritablement pouvoir parler du fonctionnement du panneau solaire, grâce a la mise en contact d’un matériau dopé P et d’un dopé N.

On appelle cela : la jonction PN.

La jonction PN

Que se passe t’il si on colle un matériaux dopé N contre un matériau dopé P ?

• le matériau dopé P contient des trous en trop.
• le matériau dopé N contient des électrons en trop.

Donc les électrons du matériau dopé N vont combler les électrons du matériau dopé P.

Au milieu de ces deux matériaux, il va donc se former une zone neutre, appelé Zone de Charge d’Espace (ZCE).

Cette zone étant neutre, aucun courant ne peut la traverser.

Cette jonction PN est la base des diodes, transistors…
En effet, si on applique un courant et une tension aux bornes de la jonction, la taille de la ZCE va varier, laissant passer ou non le courant ( suivant la valeur de la tension) ce qui est la fonction d’une diode.

Mais revenons au photovoltaïque; si on expose le matériau dopé N au soleil, de l’énergie thermique va être transmise à ce matériau. Cette agitation thermique va permettre à un nombre encore plus important d’électrons de devenir libre.

Or ces électrons n’ont qu’une envie : trouver un trou confortable pour s’installer et le matériau dopé P en contient énormément. Ainsi, si on relie par un fil métallique les deux matériaux, un courant est crée.
Le soleil vient de créer un courant, grâce à la différence de potentiel naturel entre le matériau dopé P , et le matériau dopé N, différence de potentiel encore accentuée par l’apparition d’électrons libres supplémentaires grâce à l’action du soleil.

Ouf!! C’est fini, enfin. Cet article était assez long mais j’espère qu’il vous aura servi.).