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La chimie derrière les cellules solaires inorganiques Liam Critchley

(Source : jaochainoi – stock.adobe.com)

 

Les cellules photovoltaïques, couramment appelées cellules solaires, désignent des dispositifs à énergie renouvelable utilisés pour transformer le rayonnement solaire (les photons) en énergie électrique. De plus en plus répandue, cette technologie se présente en fait sous différents types que l’on distingue notamment par le matériau actif utilisé pour transformer le rayonnement solaire en électricité. Traditionnellement, les cellules solaires utilisaient exclusivement des matériaux inorganiques comme matériau actif, mais il est aujourd'hui possible d'utiliser plusieurs autres types de matériaux actifs, notamment des matériaux organiques et des encres imprimées. Le présent article traitera principalement des cellules solaires inorganiques traditionnelles, car même si les technologies plus récentes ont chacune leurs avantages (imprimables, flexibles…), les cellules solaires inorganiques demeurent le type de cellule solaire le plus répandu et offrant le meilleur rendement à ce jour.

Le fonctionnement des cellules solaires repose sur le principe de l'effet photoélectrique, à savoir le phénomène chimique et physique qui se produit lorsqu'un matériau est exposé à la lumière et qui résulte en la production d’un courant et d’une tension électrique. Les cellules solaires inorganiques utilisent traditionnellement du silicium « dopé » pour créer une jonction semi-conductrice. Les concepteurs utilisent généralement du silicium des deux côtés de la jonction. Un côté est alors dopé par l’ajout d’un atome d’un élément chimique comptant un électron de moins que le silicium (dopage de type p), tandis que l’autre côté est dopé par l’ajout d’un atome d'élément chimique comptant un électron de plus que le silicium (dopage de type n). Les dopants les plus utilisés sont le bore et le gallium pour le dopage de type p et le phosphore pour le dopage de type n. Depuis quelques années, le silicium a cédé du terrain par rapport à l’utilisation de divers nanomatériaux choisis en raison de leur capacité à améliorer le rendement des dispositifs. Malgré ce gain de rendement par rapport au silicium, les cellules solaires à base de silicium demeurent le type de cellules solaires inorganiques le plus répandu.

Quels que soient les matériaux utilisés – deux types de silicium dopés différemment ou des nanomatériaux – le principe reste le même : il s’agit en effet de former une jonction semi-conductrice entre une couche contenant des trous et une autre contenant des électrons, séparées l’une de l’autre par une zone de déplétion. La manière dont les trous se forment et les électrons s’alignent dans la jonction semi-conductrice dépend en grande partie des propriétés chimiques du matériau et du niveau de dopage chimique. Lorsque le silicium est dopé pour former une couche p, l’atome dopé ne peut former que trois liaisons chimiques covalentes (par rapport aux quatre liaisons que peut former un atome de silicium non dopé). Il en résulte donc un espace libre laissé par la liaison chimique manquante. C’est cet espace, ou plutôt l’absence de liaison, que l’on appelle un trou et qui a une charge positive. À l’inverse, lorsque le silicium est dopé avec un autre atome pour former une couche n, l'électron supplémentaire reste dans la structure du réseau cristallin, car son architecture en treillis ne permet pas au silicium de former plus de quatre liaisons. Cela vaut d’ailleurs aussi pour les nanomatériaux à base de carbone, souvent utilisés à la place du silicium, et qui ne peuvent accueillir que quatre liaisons covalentes si l'on veut obtenir un matériau stable. Bref, l’électron supplémentaire est délocalisé dans la structure du réseau cristallin. C’est ainsi que se forment donc une couche riche en trous et une autre riche en électrons.

Lorsque la cellule solaire n’est pas exposée à la lumière, ces électrons et ces trous sont séparés par la zone de déplétion. Cette zone constitue l'interface entre la couche n et la couche p et forme ce que l’on appelle donc la jonction p-n. C’est dans cette interface que quelques électrons et trous se retrouvent pour former une zone à charge neutre séparant les autres porteurs de charge positive et négative. Cette zone à charge neutre génère un champ électrique interne qui empêche les trous et électrons des deux couches extérieures de se combiner.

Les porteurs de charge sont donc initialement séparés. Or, tout cela change dès que la cellule solaire est exposée au rayonnement solaire. Les rayons du soleil se composent en effet de photons, lesquels sont chargés d’énergie. Lorsque ces photons frappent la cellule solaire, cette énergie est transférée aux porteurs libres (les trous et électrons libres qui se trouvent de chaque côté de la zone de déplétion), qui vont l’utiliser pour tenter de se rapprocher et, ce faisant, réduisent la largeur de la zone de déplétion. Le champ électrique interne présent dans la zone de déplétion ne suffit alors plus à contrer le mouvement d’énergie des porteurs de charge et les électrons finissent par se déplacer de l’autre côté de la jonction pour se recombiner avec les trous, ce qui produit un courant constant. Une fois que les porteurs de charge commencent à se recombiner, la zone de déplétion s’élargit à nouveau, mais elle ne revient jamais à son état de repos tant qu'il y a un apport en énergie. En d’autres termes, tant que la cellule solaire est exposée aux rayons du soleil, le courant continu continue de circuler et peut être capturé et stocké. En l’absence de rayonnement solaire, la zone de déplétion retrouve son épaisseur de départ. Le dispositif revient alors à son état d’origine, jusqu'à ce que la cellule soit de nouveau exposée aux rayons du soleil.

Conclusion

Le fonctionnement des cellules solaires inorganiques repose sur des phénomènes, des principes et des réactions chimiques pour convertir efficacement la lumière du soleil en électricité à l’aide d’une jonction p-n semi-conductrice. Le dopage de deux zones (de silicium ou d’un autre matériau inorganique) crée une zone qui permet aux particules de charges opposées de se combiner et de produire un courant électrique sous l’effet du rayonnement solaire. Les cellules solaires inorganiques offrent un rendement beaucoup plus élevé que les autres types de cellules solaires, mais les matériaux utilisés sont de nature hautement cristalline et ont une structure du réseau cristallin solide et régulière. Cela signifie que les cellules inorganiques sont aussi généralement moins flexibles que les autres types de cellules solaires. Elles demeurent toutefois le type de cellules le plus répandu et, d’ici à ce que les cellules solaires flexibles et imprimables atteignent un rendement comparable, il est fort probable qu’elles le restent encore un bon moment.



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