La cellule photovoltaïque est l'élément de base des panneaux solaires. La cellule photovoltaïque est composée d'un matériau semi-conducteur qui absorbe l'énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs.



Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants, dans un semiconducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons et les trous.

La propagation par l'intermédiaire d'électrons est similaire à celle d'un conducteur classique: des atomes fortement ionisés passent leurs électrons en excès le long du conducteur d'un atome à un autre, depuis une zone ionisée négativement à une autre moins négativement ionisée.

La propagation par l'intermédiaire de trous est différente: ici, les charges électriques voyagent d'une zone ionisée positivement à une autre ionisée moins positivement par le mouvement d'un trou créé par l'absence d'un électron dans une structure électrique quasi-pleine.

Le semiconducteur utilisé pour les cellules photovoltaïques est le silicium.



Le silicium pur est un semiconducteur intrinsèque. Les propriétés d'un semiconducteur (c'est-à-dire le nombre de porteurs, électrons ou trous) peuvent être contrôlées en le dopant avec des impuretés. Un semiconducteur présentant plus d'électrons que de trous est alors dit de type N, tandis qu'un semiconducteur présentant plus de trous que d'électrons est dit de type P.





Le but du dopage de type N est de produire un excès d'électrons. Les atomes de Silicium ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome de Silicium voisin par une liaison covalente. Si un atome ayant cinq électrons de valence, comme le phosphore est incorporé dans le réseau cristallin, alors cet atome présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Cet électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Les matériaux ainsi formés sont appelés semiconducteurs de type N parce qu'ils contiennent un excès d'électrons négativement chargés.





Le but d'un dopage P est de créer un excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent ( 3 électrons de valence ), généralement un atome de Bore, est incorporé dans le réseau cristallin. En conséquence, il manque un électron pour l'une des quatre liaisons covalentes des atomes de silicium, et l'atome peut accepter un électron pour compléter cette quatrième liaison, formant ainsi un trou. Les matériaux ainsi formés sont appelés semiconducteurs de type P parce qu'ils contiennent un excès de trous positivement chargés.





Les cellules photovoltaïques fonctionnent grâce à une jonction P/N particulière, Le silicium de type P est recouvert d'une zone très mince de silicium de type N Entre les deux zones se trouve une jonction J.

La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode tandis qu'une plaque métallique recouvre l'autre face du cristal et joue le rôle d'anode. Un rayon lumineux qui frappe le dispositif peut pénétrer dans le cristal au travers de la grille et provoquer l'apparition d'une tension entre la cathode et l'anode.



Les photons de la lumière ont la propriété d' arracher des électrons de la couche N pour les placer ensuite dans la couche P. Ce transfert d'électrons provoque alors un courant de type continu.