Effet photovoltaïque : principe physique
Nanostructures pour cellules photovoltaïques inorganiques

L’effet photovoltaïque est une conséquence de l’interaction lumière-matière lors de laquelle des photons (provenant du soleil ou de tout autre source artificielle) provoquent l’excitation de charges électriques qui peuvent ensuite être collectées sous forme d’un courant continu.

Les atomes des matériaux semi-conducteurs utilisés à cette fin ont la particularité de disposer d’une bande de valence disjointe de la bande de conduction dans laquelle les charges peuvent se déplacer librement. Dans le cas du silicium, 4 électrons sont présents dans la bande de valence, et il faut leur fournir 1,1 eV (1,76e-18 J) d’énergie afin de promouvoir leur injection dans la bande de conduction où ils pourront participer à un courant électrique. Cette quantité d’énergie est appelée l’énergie de gap (ou bandgap) et varie d’un matériau à un autre. Les photons composant le rayonnement solaire ayant des énergies variant de 0 à 4 eV, seuls les photons d’énergie supérieure à l’énergie de gap pourront participer à la génération d’un courant, tandis que le matériau semi-conducteur sera transparent pour les photons d’énergie inférieure à l’énergie de gap.

Afin de parvenir à collecter les charges générées par cette interaction lumière-matière, il est impératif de créer un champ électrique dans la structure, qui force le flux de charges dans une direction donnée afin qu’il puisse être exploité. Cette condition est remplie grâce à un procédé appelé « dopage » consistant à créer deux zones de charges électriques opposées dans le matériau semi-conducteur. Dans l’une, un atome ayant 1 électron de plus dans la bande de valence que le matériau semi-conducteur (comme le phosphore qui a 5 électrons de valence contre 4 pour le silicium) est introduit dans le cristal. Le silicium n’étant capable de créer que 4 liaisons covalentes avec des atomes voisins, le surplus d’électrons de valence se traduit par l’apparition d’une charge libre supplémentaire. La zone ainsi traitée est dite « dopée N » : elle a un excès de charges électriques négatives 2.

On peut procéder de même avec un atome disposant d’un électron de moins dans sa bande de valence que le matériau...