Conversion Photovoltaïque
Nanostructures pour cellules photovoltaïques inorganiques

2.1 Principe de la conversion

Le rayonnement solaire incident est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet (0,2 µm) à l’infrarouge lointain (2,5 µm), avec une majorité d’entre eux dans le visible (0,4 µm, pour le violet, à 0,7 µm pour le rouge) autour d’un pic à 0,6 µm (partie verte de la figure 3). La puissance de ce rayonnement est d’environ 1 360 W/m² hors de l’atmosphère (constante solaire) et de 1 000 W/m² (quand le soleil est au zénith et que le ciel est dégagé) au niveau de la Terre, du fait de l’absorption dans l’atmosphère. D’après la thermodynamique, le rendement de Carnot associé à la conversion de l’énergie solaire en supposant le soleil comme source chaude (≈ 6 000 K) et la terre comme source froide (≈ 300 K) est de ≈ 85 %. L’utilisation de matériaux et concepts récents aboutissent à des valeurs très éloignée de cette limite thermodynamique, comme nous le verrons plus loin.

La conversion photovoltaïque (PV) est précisément la transformation de l’énergie de la radiation lumineuse en énergie électrique (effet photoélectrique) grâce au processus d’absorption de la lumière par le semi-conducteur (SC). Ce dernier est caractérisé par son coefficient d’absorption en fonction de la longueur d’onde et par sa largeur de bande interdite (ou gap) E_G qui est l’énergie séparant le niveau du haut de la bande de valence (BV) et le niveau du bas de la bande de conduction (BC) (figure 4).

Lors de l’illumination, l’énergie des photons absorbée est transférée aux électrons des atomes du semi-conducteur. Cet apport d’énergie permet aux électrons de quitter leurs positions normales. En quittant son niveau d’énergie, l’électron négatif laisse à ce niveau une lacune électronique (h⁺) de charge opposée que l’on dénomme « trou ». Ainsi, schématiquement, lorsqu’un photon est absorbé, il éjecte un électron d’un niveau d’énergie de la bande de valence vers un niveau d’énergie de la bande de conduction, créant ainsi une paire électron-trou, de même...