Les piles au silicium à jonction p-n
Historique
La première génération de cellules photovoltaïques fut développée au milieu des années 1950 par Fuller et Pearson [1]. Celle-ci était basée sur la jonction entre deux semi-conducteurs à base de silicium monocristallin (c-Si).
Composition
Le fonctionnement est assuré par l'un des semi-conducteurs qui est dopé par inclusion d’une petite quantité d’un autre élément, tel que l’arsenic, menant à une conductivité assurée par un excès de charges négatives dans la bande de conduction (type n). L’autre semi-conducteur est dopé avec un élément tel que le gallium conduisant à une conductivité assurée par un déficit en électrons dans la bande de valence (type p).
Rendement
Sous illumination, la génération de paires électrons-trous (excitons) dans ces matériaux, séparées par le champs électrique présent à la jonction, assure la production d’un courant électrique continu. Le rendement de ce dispositif est très élevé, se situant à 23% pour les meilleures piles, ce qui se rapproche de la valeur théorique de 29%. Ce pourcentage théorique est expliqué par le fait qu’une grande partie des photons ne sont pas absorbés par le matériau ou sont simplement réfléchis par le verre protecteur [2], ou encore que les électrons promus dans la bande de conduction par des photons de haute énergie subissent une relaxation vers des niveaux inférieurs.
Problématique et coûts
Afin d’atteindre le rendement de conversion de 23%, le silicium monocristallin doit être extrêmement pur, ce qui nécessite un traitement coûteux à haute température. Ce traitement à haute température est aussi nécessaire pour établir une bonne jonction entre les matériaux semi-conducteurs et assurer une bonne interpénétration des porteurs à la jonction. Le coût de production de ce dispositif est de 6$ du watt produit, comparativement à 2$ pour l’exploitation du charbon ou du nucléaire.
Ce coût élevé provient également de la nécessité d’utiliser du silicium d’une épaisseur de l’ordre de 200 µm dû au faible coefficient d’absorption de ce matériau cristallin. Dans le but de diminuer les coûts de production, du silicium polycristallin, amorphe ou sous forme de ruban peut être utilisé. Les rendements sont cependant inférieurs, se situant entre 13 et 20% [3]. Les piles solaires au silicium représentent la grande majorité des piles commerciales, occupant plus de 90% du marché.
Médiagraphie
[1]. Pearson, G. L. et C. S. Fuller. The Bell Solar Battery, 32, (1954).
[2]. Baumann, A.,Y. Bhargava, Z. X. Liu, G. Nemet et J. Wilcox, Photovoltaic Technology Review, MSE/C226, Berkeley (2004).
[3]. Miles, R.W., G. Zoppi et I. Forbes, Materials today, 10 (11), 20 (2007).
[4]. Source de l'image de la pile au silicium, URL de cette page: http://energy4you.secondes.info/lampadaire-solaire-eolienne/.
