Les cellules photovoltaïques
Rappels
Un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravite des électrons. Ceux qui gravitent sur la dernière couche (la plus éloignée du noyau) sont dits électrons de valence.
Si on communique à un électron de valence, une énergie suffisante (électrique, calorifique...) il quittera l'atome et deviendra un porteur de charge électrique, contribuant à fournir un courant électrique.
La gamme d'énergie que peut occuper un électron capable de véhiculer un courant est appelé "Bande de conduction".
Entre ces deux bandes d'énergies, on trouve une bande interdite dans laquelle aucun électron ne demeure.
L'énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction peut être communiquée par un photon d'énergie :
E=h.ν
où :
- h est la constante de Planck : 6,62x10-34Js
- ν (lettre grecque nu) la fréquence du photon en THz)
- ν=300.106m.s-1 / 800.10-9m=375x1012s-1
- E=6.62x10-34 x 375x1012=248x10-21J
- La courbe 1 s'apparente à celle d'une diode pour laquelle le courant inverse est nul.
- Le cadran A correspond on cadran mis en œuvre dans un capteur optique : la photo diode.
- Dans le cadran B, lorsque l'intensité lumineuse augmente, le courant inverse augmente ainsi que la tension de seuil (courbe 2). C'est ce mode de fonctionnement qui est utilisé dans les cellules photovoltaïques.
ν est aussi à lier à la longueur d'onde du photon
ν=3x108/λ
Exercice d'application :
Quelle est l'énergie produite par un photon de couleur rouge (800nm) ?
Quelle est l'énergie en eV sachant que :
1eV=1.6x10-19J ?
L'énergie est 248x10-21/1.6x10-19 = 1,55eV
La pile photovoltaïque
La pile photovoltaïque repose sur les principes vus précédemment. Il s'agit d'une jonction PN - comme une diode- exposée à la lumière.
Lorsqu'un photon "frappe" la jonction, une paire électron-trou se libère produisant un courant électrique.
La caractéristique de la cellule est donnée ci contre.
Pour obtenir une puissance restituée maximale, il convient de fixer le point de fonctionnement de sorte que Vm x Im soit au maximum.
Modélisation
La cellule photovoltaïque se comporte comme une source de courant Il associée à une diode et deux résistances internes série et parallèle.
Sources de l'image : National Instrument
Rs est bien sûr très faible
Rsh est très élevé
Dans l'idéal ces deux résistances seraient inexistantes.