Limite de Shockley Queisser

« Introduction : Les panneaux solaires permettent de transformer l’énergie lumineuse du Soleil en énergie électrique.

D’après EDF, l’énergie solaire photovoltaïque représente aujourd’hui environ 4,6 % de la production totale d’électricité en France, et cette part continue d’augmenter chaque année.

Cependant, leur rendement reste limité : une partie importante de l’énergie reçue n’est pas convertie en électricité.

On peut alors se demander s’il existe une limite physique au rendement des cellules photovoltaïques.

En 1961, Shockley et Queisser ont répondu à cette question en établissant une limite théorique du rendement des cellules solaires à une seule jonction.

Nous verrons d’abord comment fonctionne une cellule photovoltaïque, puis le principe de la limite de Shockley-Queisser, avant d’étudier les moyens de la dépasser. I.

Le fonctionnement d’un panneau solaire Avant de se pencher sur cette limite, il s'agit de comprendre le fonctionnement des cellules photovoltaïques.

Une cellule photovoltaïque est composée d’un semi-conducteur, le plus souvent du silicium.

Ce matériau se caractérise par sa bande interdite (ou gap), qui correspond à l’énergie minimale qu’un électron doit recevoir pour pouvoir se déplacer et produire un courant électrique.

La lumière du Soleil est constituée de photons, des particules qui transportent l’énergie lumineuse.

Lorsqu’un photon frappe le silicium, deux situations sont possibles, si son énergie est trop faible (inférieure au gap), il ne peut pas libérer d’électron et il n’y a pas de courant, mais si son énergie est suffisante, il peut arracher un électron à un atome de silicium.

Cet électron se met alors en mouvement.

Cependant, pour produire un courant électrique utilisable, le mouvement des électrons doit être orienté dans un seul sens.

Pour cela, la cellule est constituée de deux couches de silicium dopées différemment.

La face exposée au Soleil est dopée avec du phosphore, ce qui la rend riche en électrons : on l’appelle la zone N.

L’autre face est dopée avec du bore, ce qui la rend pauvre en électrons et riche en « trous » : c’est la zone P. Le contact entre ces deux zones forme une jonction P-N.

Cette jonction crée un champ électrique interne.

Lorsque les photons libèrent des électrons, le champ électrique force les électrons à se déplacer vers la zone N, tandis que les « trous » se déplacent vers la zone P.

Les électrons sont ensuite récupérés par des contacts métalliques et circulent dans un circuit extérieur, ce qui produit un courant électrique continu.

Enfin, une couche anti-reflet est ajoutée à la surface de la cellule afin de limiter la réflexion de la lumière et d’augmenter le nombre de photons absorbés. II.

Fonctionnement de la limite En 1961, Shockley et Queisser cherchent à déterminer le rendement maximal possible d’une cellule solaire à une seule jonction P-N, en supposant une cellule parfaite, sans défauts matériels.

Ils utilisent une approche théorique basée sur le principe d’équilibre détaillé.

Ce principe signifie que, à l’équilibre, le nombre de processus dans un sens est compensé par le nombre de processus inverses.

Dans une cellule solaire, cela revient à dire que le nombre de photons absorbés est limité par le nombre de photons réémis, ce qui impose une limite à.... »