L'effet photoélectrique a été mis en évidence pour la première fois par Edmond Becquerel, le père d'Henri Becquerel qui découvrira vers la fin du XIXème siècle la radioactivité. Les cellules photovoltaïque sont aujourd'hui l'une des deux principales sources d'énergie renouvelable. Pour comprendre le fonctionnement des cellules hotovoltaïques, il faut d'abord dire quelque mots sur le principe de fonctionnement des matériaux semi-conducteurs au premier rang desquels figure le silicium.

Le silicium, un matériau semi-conducteur

Le silicium cristallise comme le carbone, sous forme cubique à face centrée. Chaque atome de silicium se trouve au centre d'un tétraèdre et entretient quatre liaisons covalentes avec ses voisins. Si on substitue un atome de phosphore à un atome de silicium dans ce réseau, l'ordonnance de celui-ci ne sera pas dérangée. Le noyau de l'atome de phosphore va être "contraint" de jouer le même jeu que ses voisins silicium, c'est à dire entretenir les mêmes liaisons.

Que se passe-t-il dès lors du point de vue des charges électriques ? Il apparaît dans le réseau une charge positive localisée à l'endroit occupé par le noyau de phosphore, et une charge négative en surnuméraire par rapport à celui-ci. Le phosphore fait en effet le plein de ses électrons de valence avec ses quatre liaisons P-Si et se retrouve avec un électron "en trop", électron qui n'est plus que faiblement lié au noyau de phosphore. Supposons maintenant que l'on ait introduit non pas un, mais un certain nombre d'atomes de phosphore répartis dans le cristal. Le lien ténu entre les électrons surnuméraires et leur atome de phosphore d'origine va disparaître. Ils vont occuper une bande d'énergie délocalisée étendue à l'ensemble du cristal. Cette bande est appelée bande de conduction, les électrons pouvant y circuler librement (on les qualifie d'électrons libres), par opposition à la bande d'énergie correspondant aux orbitales engagées dans les liaisons covalentes, qu'on appelle bande de valence.

Supposons maintenant qu'on fasse la même opération avec des atomes d'aluminium à la place d'atomes de phosphore. Il apparaît cette fois des charges négatives localisées et des charges positives délocalisées : des trous. Des électrons manquants pour compléter les quatre orbitales partagées par chaque nœud du réseau.

Jonction PN

L'introduction d'un nombre limité d'atomes de valence différente dans un cristal s'appelle le dopage. On parle de dopage N lorsque celui-ci crée un nuage de charges négatives délocalisées et de dopage P lorsqu'il crée un nuage de charges positives délocalisées.

Supposons que l'on superpose une zone dopée N et une zone dopée P. Les électrons "libres" de la zone N vont migrer vers la zone P pour occuper les trous des orbitales de valence (les orbitales occupées par un seul électron) et minimiser leur énergie propre. Il apparaît une charge d'espace positive dans la zone N due aux nœuds "phosphore" et une charge d'espace négative dans la zone P due, cette fois, aux nœuds "aluminium". Cette charge crée un champ électrique aux abords de l'interface entre les deux zones. Cet interface porte le nom de jonction PN. Le champ électrique qui se crée de part et d'autre de la jonction est à l'origine de l'effet diode.

Cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est constituée par une jonction PN connectée à un circuit électrique. Lorsque la cellule est soumise au rayonnement solaire, des électrons sont excités et sautent sur un niveau d'énergie supérieur dans la bande de conduction.

Il se crée ainsi de nouveaux électrons libres et de nouveaux trous. Ces porteurs de charge diffusent dans le cristal. Sous l'effet du champ électrique, ils partent dans des directions opposées. Les électrons s'accumulent dans la zone N (qui devient maintenant le pôle négatif) et les trous dans la zone P (qui devient le pôle positif).

Si la jonction est connectée à un circuit électrique, elle agit comme un générateur de courant. Les électrons vont circuler dans le circuit pour compenser la charge positive de la zone P. L'intensité du courant est proportionnelle au nombre d'electrons qui circulent et la tension est déterminée par l'écart entre le niveau d'énergie de la bande de conduction et celui de la bande de valence : le gap.

Cet écart est une caractéristique physique du réseau. Dans ce qui précède, on est parti de l'exemple d'un cristal de silicium mais on peut réaliser des jonctions PN avec d'autres matériaux :

• des matériaux inorganiques comme le germanium, l'arséniure de gallium (AsGa), le phosphore d'aluminium (PAl), l'antimoniure d'indium (SbIn), le tellurure de cadmium (CdTe)...
• des polymères organiques (fullerènes, polythiophènes),
• des matériaux hybrides (organiques/inorganiques) présentant une structure cristalline pérovskite comme le Pb(CH₃NH₃)I₃.

Figure : Formation d'une paire de trou dans un sous-ensemble de la chaîne polymère du polythiophène. Le dopage P est obtenu par oxydation par un halogène ou un acide organique.

Rendement

A chaque matériau ses caractéristiques et donc son rendement théorique maximum. Un gap élevé signifie qu'une part significative des photons du rayonnement solaire n'ont pas l'energie suffisante pour exciter les électrons de valence. A contrario les cellules photovoltaïques basée sur le matériau correspondant présentent une tension plus élevée. Il en résulte une valeur rendement de compromis.

Le rendement theorique des filières inorganiques plafonne aux alentours de 30%, soit 300W/m² sous nos latitudes. Le rendement réel est inférieur : 26,7% pour le silicium de dernière génération, 29,8% pour l'AsGa, beaucoup plus cher. Les cellules pérovskites ont atteint 25,5% mais devraient progresser (elles sont encore récentes et n'ont pas été entièrement optimisées).

Pour s'affranchir de la limite théorique des 30% et atteindre, pourquoi pas, 40%, les chercheurs travaillent sur des cellules multijonction, les photons dont l'énergie est insuffisante pouvant être récupérés par une deuxième jonction dont le gap est moins élevé.

Stockage

Le problème du stockage de l'énergie est indissociable de ce mode de production de l'énergie. L'énergie solaire n'est pas disponible à la demande. Or, pour être viable, un réseau de production et de distribution de l'énergie électrique doit pouvoir fournir cette énergie lorsque de besoin. Pour améliorer la disponibilité de l'énergie d'origine photovoltaïque, il faut donc pouvoir la stocker. Il existe pour cela plusieurs solutions qui vont des accumulateurs (lithium et, à terme, sodium) aux pompes de relevage (solution hydroélectrique) en passant par les roues à inertie ou l'électrolyse de l'hydrogène, une solution promise à un bel avenir.