Contenu
- L'effet de la longueur d'onde de l'énergie solaire sur l'énergie des électrons
- Fonction de travail et bande interdite
- Longueurs d'onde minimales et maximales
- Energie solaire longueur d'onde et efficacité cellulaire
Les cellules solaires dépendent d'un phénomène appelé effet photovoltaïque, découvert par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Il est lié à l'effet photoélectrique, un phénomène par lequel des électrons sont éjectés d'un matériau conducteur lorsque la lumière brille dessus. Albert Einstein (1879-1955) a remporté le prix Nobel de physique en 1921 pour son explication de ce phénomène, utilisant des principes quantiques nouveaux à l'époque. Contrairement à l'effet photoélectrique, l'effet photovoltaïque se produit à la limite de deux plaques semi-conductrices et non sur une seule plaque conductrice. Aucun électron n'est réellement éjecté lorsque la lumière brille. Au lieu de cela, ils s'accumulent le long de la frontière pour créer une tension. Lorsque vous connectez les deux plaques avec un fil conducteur, un courant circule dans le fil.
Le grand succès d’Einstein, et pour lequel il a reçu le prix Nobel, était de reconnaître que l’énergie des électrons éjectés d’une plaque photoélectrique dépendait - non de l’intensité lumineuse (amplitude), comme le prédisait la théorie des ondes - mais de la fréquence, qui est l'inverse de la longueur d'onde. Plus la longueur d'onde de la lumière incidente est courte, plus la fréquence de la lumière est élevée et plus les électrons éjectés possèdent de l'énergie. De la même manière, les cellules photovoltaïques sont sensibles à la longueur d'onde et répondent mieux à la lumière du soleil dans certaines parties du spectre que dans d'autres. Pour comprendre pourquoi, il est utile de revoir l'explication Einsteins de l'effet photoélectrique.
L'effet de la longueur d'onde de l'énergie solaire sur l'énergie des électrons
L'explication de l'effet photoélectrique par Einsteins a aidé à établir le modèle quantique de la lumière. Chaque faisceau de lumière, appelé photon, a une énergie caractéristique déterminée par sa fréquence de vibration. L'énergie (E) d'un photon est donnée par la loi de Plancks: E = hf, où f est la fréquence et h la constante de Plancks (6,626 × 10−34 joule ∙ seconde). Malgré le fait qu'un photon ait la nature d'une particule, il possède également des caractéristiques d'onde, et pour toute onde, sa fréquence est l'inverse de sa longueur d'onde (notée ici w). Si la vitesse de la lumière est c, alors f = c / w, et la loi de Plancks peut être écrite:
E = hc / w
Lorsque des photons sont incidents sur un matériau conducteur, ils entrent en collision avec les électrons des atomes individuels. Si les photons ont assez d’énergie, ils assomment les électrons des coques les plus externes. Ces électrons sont alors libres de circuler à travers le matériau. En fonction de l'énergie des photons incidents, ils peuvent être totalement éjectés du matériau.
Selon la loi de Plancks, l’énergie des photons incidents est inversement proportionnelle à leur longueur d’onde. Le rayonnement de courte longueur d'onde occupe l'extrémité violette du spectre et comprend le rayonnement ultraviolet et les rayons gamma. D'autre part, le rayonnement de grande longueur d'onde occupe l'extrémité rouge et comprend le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.
La lumière du soleil contient tout un spectre de rayonnement, mais seule une lumière dont la longueur d'onde est suffisamment courte produira les effets photoélectriques ou photovoltaïques. Cela signifie qu'une partie du spectre solaire est utile pour générer de l'électricité. Peu importe la luminosité ou l'intensité de la lumière. Il doit simplement avoir - au minimum - la longueur d'onde de la cellule solaire. Les rayons ultraviolets à haute énergie peuvent pénétrer dans les nuages, ce qui signifie que les cellules solaires devraient fonctionner par temps nuageux - et c'est le cas.
Fonction de travail et bande interdite
Un photon doit avoir une valeur d’énergie minimale pour exciter suffisamment d’électrons afin de les éjecter de leurs orbitales et leur permettre de se déplacer librement. Dans un matériau conducteur, cette énergie minimale est appelée fonction de travail et elle est différente pour chaque matériau conducteur. L'énergie cinétique d'un électron libéré par collision avec un photon est égale à l'énergie du photon moins la fonction de travail.
Dans une cellule photovoltaïque, deux matériaux semi-conducteurs différents sont fondus pour créer ce que les physiciens appellent une jonction PN. En pratique, il est courant d’utiliser un seul matériau, tel que le silicium, et de le doper avec différents produits chimiques pour créer cette jonction. Par exemple, le silicium dopant à l’antimoine crée un semi-conducteur de type N et le dopage au bore confère un semi-conducteur de type P. Les électrons sortis de leurs orbites se rassemblent près de la jonction PN et augmentent la tension à travers celle-ci. Le seuil d'énergie permettant de faire tomber un électron hors de son orbite et dans la bande de conduction est appelé bande interdite. Son semblable à la fonction de travail.
Longueurs d'onde minimales et maximales
Pour qu'une tension se développe à travers la jonction PN d'une cellule solaire. le rayonnement incident doit dépasser l'énergie de la bande interdite. Ceci est différent pour différents matériaux. Il s’agit de 1,11 électron-volt pour le silicium, le matériau le plus utilisé pour les cellules solaires. Un électron-volt = 1,6 × 10-19 joules, l’énergie de la bande interdite est donc de 1,78 × 10-19 joules. Le réarrangement de l’équation de planches et la résolution de la longueur d’onde vous indiquent la longueur d’onde de la lumière qui correspond à cette énergie:
w = hc / E = 1 110 nanomètres (1,11 × 10-6 mètres)
Les longueurs d'onde de la lumière visible se situant entre 400 et 700 nm, la longueur d'onde de la largeur de bande pour les cellules solaires au silicium se situe dans le très proche infrarouge. Toute radiation de longueur d'onde plus longue, telle que les micro-ondes et les ondes radio, manque d'énergie pour produire de l'électricité à partir d'une cellule solaire.
Tout photon ayant une énergie supérieure à 1,11 eV peut déloger un électron d'un atome de silicium et le placer dans la bande de conduction. En pratique, cependant, des photons à très courte longueur d'onde (avec une énergie supérieure à environ 3 eV) quittent la bande de conduction et les rendent ainsi indisponibles. Le seuil de longueur d'onde supérieur permettant de tirer parti de l'effet photoélectrique dans les panneaux solaires dépend de la structure de la cellule solaire, des matériaux utilisés pour sa construction et des caractéristiques du circuit.
Energie solaire longueur d'onde et efficacité cellulaire
En bref, les cellules PV sont sensibles à la lumière de tout le spectre tant que la longueur d'onde est supérieure à la bande interdite du matériau utilisé pour la cellule, mais une lumière de longueur d'onde extrêmement courte est perdue. C'est l'un des facteurs qui affecte l'efficacité des cellules solaires. Une autre est l'épaisseur du matériau semi-conducteur. Si les photons doivent parcourir de longues distances à travers le matériau, ils perdent de l'énergie lors de collisions avec d'autres particules et risquent de ne pas disposer de suffisamment d'énergie pour déloger un électron.
Un troisième facteur affectant l'efficacité est la réflectivité de la cellule solaire. Une certaine fraction de la lumière incidente rebondit sur la surface de la cellule sans rencontrer d'électron. Pour réduire les pertes dues à la réflectivité et augmenter l'efficacité, les fabricants de cellules solaires recouvrent généralement les cellules d'un matériau absorbant la lumière et non réfléchissant. C'est pourquoi les cellules solaires sont généralement noires.