Outre le transistor, une autre application rendue possible par les semi-conducteurs est la cellule photovoltaïque : celle qui permet de produire de l’électricité à partir de lumière dans les plaques photovoltaïques.
Son fonctionnement n’est pas exactement trivial, aussi j’ai décidé d’en faire un article.
Si possible, je vous invite à lire également mes articles sur le semi-conducteur et le transistor, car ils pourront apporter quelques précisions supplémentaires, bien que je ferais un bref rappel ici.
Semi-conducteurs, dopage N et dopage P
Le silicium, un semi-conducteur, possède 4 électrons sur sa couche externe. Au zéro absolu, les quatre sont pris par des liaisons atomiques et aucun n’est libre pour conduire l’électricité.
Si l’on apporte de l’énergie, comme c’est le cas à température ambiante, certains électrons de valence deviennent des électrons de conduction, et le silicium devient un (mauvais) conducteur.
On peut améliorer cette piètre conductivité « dopant » le silicium, c’est-à-dire en incluant des éléments chimiques tiers au sein du silicium pur.
Si, au sein du silicium, on met un atome de phosphore avec ses cinq électrons, alors quatre d’entre eux serviront à former les liaisons chimiques, mais le dernier restera libre. Ce silicium est dit « dopé » au phosphore.
Ayant un électron, une charge négative, en plus dans sa matrice cristalline, ce dopage est de type négatif ou « N ». On parle de silicium dopé N.
Inversement, si l’on place du bore avec trois électrons dans la matrice de silicium, alors il y a un manque d’électron à un endroit. Il y a comme un trou. Ce trou peut être comblé par un électron voisin, mais ce dernier laissera alors un autre trou dans son sillon. De ce fait, on peut dire que le trou se déplace. L’électron étant négatif, le trou est lui modélisé comme une charge positive. Avec du bore, le dopage est positif, ou « P ».
Si je résume :
- un bout de silicium dopé N, bien qu’électriquement neutre, possède des charges négatives libres.
- un bout de silicium dopé P, bien que neutre également, possède des charges positives libres.
La jonction PN
Les choses intéressantes se produisent si l’on colle ces deux morceaux de silicium dopé N et dopé P ensemble. Au niveau de la jonction, et seulement à cet endroit, les électrons libres de la partie N vont venir combler les trous de la partie P.
Cette région est appelée « zone de déplétion » : les électrons libres d’un côté sont allés boucher les trous de l’autre côté et il n’y a plus de charges mobiles. La zone de déplétion est isolante.
Ce n’est pas tout : on voit que certains électrons du silicium N sont passés dans le silicium P. La zone N qui s’est vidée de ses électrons est donc chargée positivement : le phosphore a perdu son 5ᵉ électron . De l’autre côté, le bore a reçu un 4ᵉ électron et est donc ionisé négativement.
En soit, ceci constitue un dipôle très connu, à savoir une diode : en effet, grâce à cette jonction, le courant ne peut passer que dans un seul sens. Dans l’autre sens, l’application d’une tension (inverse, donc) va élargir la zone de déplétion et donc la rendre encore plus isolante.
Je vous laisse lire mon article sur la LED qui explique ceci très bien.
Dans cet article, c’est l’effet photovoltaïque nous intéresse, qui est basiquement l’inverse de l’effet diode.
L’effet photovoltaïque
Si l’on envoie un photon suffisamment énergétique sur la zone de déplétion, d’une jonction PN, un électron de valence capte son énergie : il passe alors dans un état plus énergétique et devient un électron libre. Cet électron sort de la liaison cristalline (y laissant un trou) et devient libre :
Qui plus est, à cause des régions ionisées et chargées de la zone de déplétion, le trou positif est directement repoussé et renvoyé dans la zone P et l’électron rapidement renvoyé vers la zone N.
Si l’on continue d’éclairer la diode, des trous s’accumulent dans la zone P et des électrons s’accumulent du côté N : on obtient quelque chose comme un condensateur, avec une séparation de charges :
Il suffit alors de relier ces deux bornes par un circuit électrique : les électrons, expulsés de la zone N dans le circuit vont donc rejoindre la zone P et aller y reboucher les trous, rétablissant l’équilibre électrique de toute la cellule.
Évidemment, cette circulation d’électrons peut passer dans un circuit électrique et l’alimenter. C’est tout l’intérêt : le panneau solaire permet alors d’alimenter un appareil, ou recharger une batterie de stockage de l’énergie.
Diode ou cellule photovoltaïque ?
Une cellule photovoltaïque et une diode fonctionnent sur le même principe physique : ce sont deux dipôles identiques constituées d’une jonction PN.
Les deux peuvent d’ailleurs fonctionner selon le mode de l’autre : éclairez une LED avec une lampe torche, et une tension détectable avec un voltmètre apparaîtra à ses bornes.
Ou alors, appliquez une tension sur une cellule photovoltaïque, et vous détecterez une émission de lumière par la cellule. La lumière sera en revanche dans les infrarouges, donc il faudra tout de même un détecteur approprié, mais cela se fait.
D’ailleurs, ceci est une méthode pour vérifier le bon fonctionnent d’un panneau photovoltaïque : on l’alimentant comme une LED, on voit les cellules émettre de la lumière. Si trop de cellules n’en émettent pas, alors le panneau est à changer.
Diode et cellule photovoltaïque sont donc comme un climatiseur et une pompe à chaleur, ou encore un microphone et un haut-parleur, un moteur électrique et une dynamo : deux appareils aux principes identiques. La différence se situe seulement au niveau de leur optimisation pour des applications différentes.
Conclusion
Diode ou panneau solaire, les deux sont physiquement la même chose, mais utilisés pour différemment.
Si l’on en connaît le principe de fonctionnement, le panneau photovoltaïque est un bel exemple d’application des semi-conducteurs, permettant de mettre en application la mécanique élégante des électrons au sein de cristaux de silicium dopés et collés ensembles.
On ne peut qu’admirer l’ingéniosité déployée pour penser à la succession de découvertes qu’il a fallu effectuer et mettre en relation pour pouvoir produire de l’énergie électrique à partir de lumière.
