Qu'est-ce que la bande interdite des cellules solaires ?

Contenu

1. Introduction
2. Qu'est-ce qu'une bande interdite ?
3. Pourquoi la bande interdite est-elle importante ?
4. Pourquoi une bande interdite de 1,5 eV est-elle considérée comme optimale ?
5. Bande interdite des différents matériaux
6. Optimisation de la bande interdite et applications pratiques
7. Conclusion

Introduction

Le processus de génération d'électricité à l'aide de panneaux solaires dépend principalement d'une étape cruciale. Les électrons passent de la bande de valence (au sein de la jonction PN du panneau solaire) à la bande de conduction (circuit externe, tel qu'une batterie). Les électrons qui résident dans la bande de valence, sans énergie externe, sont appelés ainsi. Pour produire de l'électricité, ces électrons doivent se déplacer dans le circuit externe, connu sous le nom de bande de conduction.

Les électrons ne passent pas de la bande de valence à la bande de conduction d'eux-mêmes. Une certaine quantité d'énergie (appelée bande interdite) doit être fournie pour faciliter cette transition.

Qu'est-ce qu'une bande interdite ?

La bande interdite est un concept crucial dans les matériaux semi-conducteurs, désignant l'énergie minimale requise pour que les électrons sautent à un niveau énergétique supérieur. Cela est comparable aux enfants ayant besoin d'une force suffisante pour passer à la case suivante dans un jeu de marelle. La taille de la bande interdite détermine la gamme des longueurs d'onde des photons qu'un matériau peut absorber, ce qui est essentiel pour générer un courant dans les panneaux solaires en absorbant efficacement les photons à travers le spectre solaire. Des tailles de bande interdite variées permettent aux matériaux d'optimiser l'absorption des photons dans les régions de lumière à haute ou basse énergie, s'adaptant ainsi à divers besoins environnementaux et d'application.

Pour les conducteurs, il n'y a pas de bande interdite entre la bande de conduction et la bande de valence, de sorte que la bande de conduction est remplie d'électrons, rendant le matériau hautement conducteur. En revanche, les isolants possèdent une grande bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction, empêchant les électrons dans la bande de valence de sauter à la bande de conduction, ce qui rend le matériau non conducteur. Les semi-conducteurs possèdent une bande interdite qui se situe entre ces deux extrêmes, les rendant généralement non conducteurs. Cependant, lorsqu'une énergie est ajoutée (par la lumière, la chaleur, etc.), les électrons dans la bande de valence peuvent se déplacer vers la bande de conduction, permettant au matériau de conduire l'électricité.

Pourquoi la bande interdite est-elle importante ?

Les cellules solaires fonctionnent en absorbant l'énergie de la lumière du soleil, ce qui pousse les électrons à sauter à des niveaux d'énergie supérieurs, générant ainsi un courant électrique. La bande interdite détermine quels particules d'énergie (photons) dans la lumière du soleil la cellule solaire peut absorber. Si la bande interdite est trop grande, de nombreux photons n'ont pas assez d'énergie pour faire sauter les électrons. Si la bande interdite est trop petite, l'énergie excédentaire sera gaspillée. Par conséquent, une bande interdite adéquate permet aux cellules solaires de convertir la lumière du soleil en électricité de manière plus efficace.

Pourquoi une bande interdite de 1,5 eV est-elle considérée comme optimale ?

Lorsque les photons excitent les électrons près de la bande interdite d'un semi-conducteur, trois situations peuvent se produire :

1. Si l'énergie d'un photon est inférieure à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur, les électrons n'absorbent pas l'énergie du photon et le photon traverse le semi-conducteur. Cela est appelé perte de transparence.
2. Si l'énergie du photon est égale à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur, les électrons absorbent l'énergie du photon et sautent du maximum de la bande de valence (VBM) au minimum de la bande de conduction (CBM). Le champ électrique intégré dans la jonction PN sépare ces électrons, convertissant entièrement l'énergie du photon absorbé en énergie électrique.
3. Si l'énergie du photon est supérieure à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur, les électrons absorbent l'énergie du photon et sautent à une position au-dessus du minimum de la bande de conduction (CBM). L'énergie excédentaire est alors libérée sous forme de chaleur par un processus appelé relaxation, connu sous le nom de perte thermique. Les électrons tombent finalement au minimum de la bande de conduction, et le champ électrique intégré les sépare, convertissant une partie de l'énergie du photon en énergie électrique.

Sur la base de la description ci-dessus, nous pouvons tirer les conclusions suivantes :

1. Une bande interdite plus large signifie que davantage de photons de basse énergie ne peuvent pas exciter les électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Par conséquent, plus de photons ne sont pas absorbés, entraînant une perte de transparence accrue. En termes simples, plus la bande interdite est large, plus la perte de transparence est grande. Cela est représenté par la ligne en pointillés sur le graphique allant du bas à gauche au haut à droite.
2. Une bande interdite plus petite entraîne une absorption accrue des photons. Cependant, l'excès d'énergie de ces photons est dissipé sous forme de chaleur par des processus de relaxation, augmentant la perte par thermalisation. En résumé, plus la bande interdite est petite, plus la perte par thermalisation est grande. Cela est montré par la ligne en pointillés sur le graphique allant du haut à gauche au bas à droite.

En fin de compte, l'efficacité réelle de la conversion de la lumière solaire en électricité, η, peut être décrite par :

η = 1 - Perte de transparence - Perte par thermalisation

La ligne solide sur le graphique montre que cette efficacité atteint un pic au milieu et diminue aux deux extrémités. C'est facile à comprendre : lorsque la bande interdite est trop large, presque aucun photon n'est absorbé, ce qui résulte en une efficacité de conversion de l'électricité presque nulle. De même, lorsque la bande interdite est trop petite, la plupart de l'énergie des photons est perdue sous forme de chaleur après absorption, ce qui conduit également à une efficacité presque nulle. L'efficacité maximale se situe quelque part au milieu, généralement entre 1.0 eV et 1.5 eV, comme le montre le graphique. Il est important de noter que ce graphique peut ne pas représenter les conditions sous le spectre AM1.5, où une bande interdite autour de 1.5 eV.

Bande Interdite des Différents Matériaux

1. Silicium

Le silicium est l'un des matériaux clés pour les cellules solaires actuelles. Il a une largeur de bande interdite d'environ 1,1 électronvolts (eV), ce qui lui permet de convertir efficacement une large gamme de longueurs d'onde de la lumière solaire. L'efficacité des cellules solaires en silicium a été largement validée, les tests en laboratoire montrant que les cellules solaires en silicium monocristallin atteignent jusqu'à 26,7 % d'efficacité de conversion, tandis que les produits commerciaux atteignent généralement environ 20 %. Ce matériau est bien adapté aux diverses conditions d'irradiation solaire mondiale, offrant une excellente stabilité et une longue durée de vie. Les données indiquent que les systèmes photovoltaïques utilisant des cellules solaires en silicium ont généralement une durée de vie supérieure à 25 ans.

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2. Matériaux de Pervskite

Les matériaux de perovskite peuvent ajuster leur bande interdite par synthèse chimique, offrant un potentiel pour améliorer l'efficacité et réduire les coûts de fabrication. En général, la bande interdite des cellules solaires en perovskite varie de 1,5 à 2,3 électronvolts (eV), ce qui leur permet d'absorber efficacement le spectre de lumière visible du soleil. Ces dernières années, l'efficacité de ces cellules solaires a connu une augmentation rapide, passant de moins de 4 % en 2009 à plus de 25 % aujourd'hui. Elles peuvent être combinées avec du silicium pour former des cellules solaires en tandem, augmentant ainsi l'efficacité globale et bénéficiant de procédés de fabrication à basse température qui réduisent considérablement les coûts de production.

Les chercheurs de l'Université de Cambridge se concentrent sur les matériaux de perovskite pour les LED flexibles et les cellules solaires de prochaine génération. Ils ont découvert que simplifier la séquence de composition chimique peut grandement améliorer l'efficacité et réduire les coûts de production. Actuellement, des efforts sont en cours pour aborder les problèmes de stabilité et de durabilité environnementale, afin de faciliter leur application commerciale à grande échelle.

3. Autres Matériaux

Les scientifiques du monde entier recherchent des matériaux avancés tels que le séléniure de cadmium-gallium (CIGS), le nitrure de gallium, le germanium et le phosphure d'indium. Ces matériaux sont conçus pour ajuster efficacement les limites de bande interdite des cellules solaires à plusieurs jonctions, convertissant l'ensemble du spectre lumineux du soleil en électricité.

Le séléniure de cadmium-gallium (CIGS) et les matériaux similaires ont une bande interdite relativement étroite (environ 1,0 à 1,7 électronvolts, eV), ce qui leur permet de bien performer dans des conditions de faible luminosité. Les cellules solaires CIGS maintiennent une haute efficacité même par temps nuageux et dans une faible luminosité, les rendant particulièrement adaptées à certaines conditions environnementales. Par exemple, dans certaines régions d'Europe où l'intensité lumineuse est plus faible tout au long de l'année, les panneaux solaires CIGS montrent des avantages de performance significatifs. En conditions de laboratoire, les cellules solaires CIGS ont atteint des rendements de conversion allant jusqu'à 23,4 %, tandis que les produits commerciaux atteignent généralement de 15 % à 18 %. De plus, les matériaux CIGS sont flexibles et peuvent être utilisés pour fabriquer des cellules solaires pliables, offrant plus d'options pour les photovoltaïques intégrés aux bâtiments et les dispositifs portables.

Optimisation de la Bande Interdite et Applications Pratiques

L'optimisation de la bande interdite est une technologie clé pour améliorer les performances des cellules solaires. En ajustant précisément la bande interdite des matériaux, des améliorations significatives peuvent être réalisées en termes d'efficacité de conversion photovoltaïque et de polyvalence des applications. Dans les applications pratiques, l'impact de l'optimisation de la bande interdite se manifeste dans plusieurs aspects :

1. Amélioration de l'Efficacité de Conversion Photovoltaïque :
   Optimiser la bande interdite des matériaux permet aux cellules solaires d'absorber et de convertir plus efficacement les photons à travers le spectre solaire. Par exemple, en utilisant la technologie des cellules solaires à plusieurs jonctions, qui superpose des matériaux avec différentes bandes interdites, on maximise l'absorption des différentes longueurs d'onde de la lumière, ce qui augmente considérablement l'efficacité globale. Cette technologie a déjà atteint des rendements de laboratoire supérieurs à 40 % dans les cellules solaires spatiales et les applications terrestres à haute efficacité.
2. Adaptation aux Conditions Environnementales Diverses :
   Les matériaux avec différentes bandes interdites sont adaptés à diverses conditions environnementales. Les matériaux avec des bandes interdites plus larges, comme le silicium, peuvent fonctionner de manière stable sous une large gamme de conditions de radiation solaire, tandis que les matériaux à bande interdite plus étroite, tels que le CIGS, excellent dans des conditions de faible luminosité. Grâce à l'optimisation de la bande interdite, les cellules solaires peuvent être conçues pour s'adapter à divers climats et conditions lumineuses, augmentant ainsi leur applicabilité à l'échelle mondiale.
3. Réduction des Coûts de Fabrication :
   L'optimisation de la bande interdite améliore non seulement l'efficacité, mais réduit également les coûts de production grâce à des innovations en matière de matériaux et de procédés. Par exemple, les matériaux de perovskite présentent d'excellentes capacités d'ajustement de la bande interdite et des processus de fabrication rentables, avec des progrès rapides dans la commercialisation. L'optimisation de la bande interdite peut faciliter des processus de fabrication plus efficaces, réduisant le coût par watt et améliorant la compétitivité sur le marché.
4. Stimuler le Développement de Nouveaux Matériaux Photovoltaïques :
   Les techniques d'optimisation de la bande interdite stimulent le développement de nouveaux matériaux photovoltaïques, tels que les pérovskites organiques-inorganiques et les matériaux à points quantiques. Ces nouveaux matériaux, avec des bandes interdites précisément ajustées, montrent une efficacité plus élevée et un potentiel d'application plus large. À l'avenir, ces technologies devraient permettre des applications innovantes telles que les dispositifs photovoltaïques portables et les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments.

Conclusion

En conclusion, l'optimisation de la bande interdite joue un rôle crucial dans les applications pratiques en améliorant non seulement l'efficacité des cellules solaires, mais aussi leur adaptabilité, en réduisant les coûts et en stimulant le développement de nouvelles technologies. Avec les avancées continues en science des matériaux et en procédés de fabrication, l'optimisation de la bande interdite propulsera encore davantage l'adoption et l'avancement des technologies solaires, posant les bases de l'avenir de l'énergie renouvelable mondiale.

Références :

Cellules solaires : Guide de la théorie et de la mesure. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Pourquoi les cellules solaires sont-elles si inefficaces ? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 février). Bande passante énergétique des cellules solaires. Sinovoltaics (Hong Kong Office). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

Expliqué : Bandgap. (2010, 23 juillet). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

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