Ces dernières années le monde se tourne vers les énergies renouvelables (éolienne, photovoltaïque, hydraulique..) pour couvrir ses besoins énergétiques. Ce sont des énergies inépuisables à l’échelle du temps humain et qui ont beaucoup d’avantages, par exemple l’énergie photovoltaïque. Chaque année, le soleil envoie sur la terre une énergie qui représente 6000 fois l’énergie fournie par les énergies fossiles comme le pétrole, le gaz …etc [1].

L’électricité photovoltaïque est la transformation de l’énergie solaire en énergie électrique à la moyenne des panneaux solaires (PV) (plusieurs cellules connectent en série ou en parallèles). L’énergie photovoltaïque se base sur l’effet photoélectrique pour créer un courant électrique à partir d’une interaction photon-matière à l’aide d’un dispositif appelé cellule photovoltaïque. La capacité globale installée des systèmes photovoltaïque (PV), en 2003 par exemple, est de 1809 MW ; plus de 80% de cette capacité a été installée dans les systèmes photovoltaïques résidentiels en réseau électrique [2].

Le matériau le plus utilisé et industrialisé depuis 60ans dans la fabrication de cellules photovoltaïques est le silicium cristallin (80% de la production mondiale). Ce dernier présente en effet de nombreux avantages (abondance sur terre, moins cher, non toxique …), les cellules produites industriellement atteignent des rendements de conversion de 15% en moyenne. Au laboratoire les meilleurs rendements atteints sont de l’ordre de 25% avec de silicium monocristallin [3].

Notions préliminaires sur l’énergie solaire

Le soleil envoi continuellement une énorme quantité d’énergie radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute petite partie de l’énergie solaire rayonnée dans l’espace. Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord externe de l’atmosphère terrestre (pour une distance moyenne terre –soleil de 150 millions de Km), c’est ce que l’on appelle le constante solaire égale 1367W/m².

Energie solaire :

C’est l’énergie émise par le soleil sous forme de lumière et de chaleur. C’est une énergie classée parmi les énergies renouvelables car elle est inépuisable, et c’est une énergie propre et non polluante. Il a de nombreuses utilisations, dont la plus importante est sa conversion en électricité.

Rayonnement solaire :
Le soleil rayonne sur la terre une puissance de 16.1015 kWh par an, dans toutes les longueurs d’onde du spectre de la lumière visible. Le rayonnement solaire est un facteur important dans la conversion photovoltaïque. Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet (0,2µm) à l’infrarouge lointain (2,5µm). Lorsque ce rayonnement solaire traverse l’atmosphère, et à la suite de phénomènes d’absorption par les molécules des différentes couches de l’atmosphère (le taux de poussière, d’aérosol, de vapeur d’eau, le rayonnement solaire subit une atténuation et une modification de son spectre, et donne un spectre solaire non continu mais qui présente des bandes d’absorption et par conséquent crée une baisse globale de la puissance incidente .

La conversion photovoltaïque :
C’est la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique avec des matériaux semi-conducteurs. La première cellule photovoltaïque, construite en 1914, avait un rendement 1% : elle était utilisée pour réaliser des posemètres pour la photographie.il a fallu attendre jusqu’à 1954 pour que la production d’électricité par effet photovoltaïque commence à se développer, avec la réalisation d’une première cellule en silicium monocristallin d’un rendement de 6%.ce dernier augmenta rapidement pour atteindre, en laboratoire ,18% aujourd’hui [3].

Le spectre solaire :
La lumière solaire est composée d’un faisceau lumineux de couleurs différentes, caractérisées par leur gamme de longueur d’onde. Sa décomposition en longueur d’onde donne ce qu’on appelle spectre solaire [4]. Pour pouvoir comparer les performances des cellules solaires serons qualifié au moyen des différents spectres solaires utilisés, la notion d’Air-masse (AMm) a été créée. Elle évalue la quantité de puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle θ du soleil par rapport au Zénith.

L’intensité du rayonnement :
Le rayonnement se caractérise par son domaine spectral comme on vient de voir et par son intensité (plus un corps est chaud (>0°K) plus il émet un rayonnement intense).la confrontation entre le rayonnement solaire et les éléments du système climatique font qu’à la surface du sol, la densité de puissance n’est plus que de 0.9Kw/m2, en raison de l’absorption essentiellement par l’ozone [6].

Matériaux photovoltaïques

La bande interdite :
La bande interdite ou énergie de gap, distance entre deux bandes (bande de valence BV et bande de conduction BC).

Transitions radiatives :
L’émission et la réception dépendent de l’échange d’énergie entre les photons et les électrons.

Transition directe :
La transition directe l’électron sera transférée d’un niveau d’énergie à un autre sans changer de mouvement. Les semi-conducteurs à gap direct c’est-à-dire que le maximum de la bande de valence se situe au même vecteur d’onde que le minimum de la bande de conduction .

Transition indirecte :
La transition indirecte l’électron sera transféré d’un niveau d’énergie à un autre avec un changement de quantité de mouvement (trajectoire), cette transition pour les semiconducteurs à gap indirecte ou le maximum de la bande de valence ne coïncide pas avec le minimum de la bande de conduction.

Recombinaison :
Les électrons qui se déplacent librement à travers le cristal ont tendance à se recombiner avec les trous. Ce phénomène est appelé recombinaison et sa vitesse est proportionnelle au nombre de trous et d’électrons libres existants.

Lorsque la recombinaison se produit, l’électron et le trou cessent d’être des porteurs libres. Au cours de ce phénomène, l’électron transite dans un état d’énergie inférieure. Pour cela, il doit libérer un quantum d’énergie égale à la différence de son origine et son état final. Cette énergie peut être classée en deux façons : radiative et non radiative.

Mécanismes de recombinaisons :
➤ Recombinaison radiative :
Un électron de la bande de conduction se recombine avec un trou dans la bande de valence pour produire l’émission d’un photon dont l’énergie est égale à l’énergie de gap. Étant donné que le gap de silicium est indirect, le mécanisme de la recombinaison radiative est considéré comme négligeable par rapport aux autres mécanismes de recombinaison [12].
➤ Recombinaison assistée par piège :
Aussi appelées recombinaisons Schokley-Read-Hall, elles sont présentes dans les matériaux qui contiennent des défauts (joints de grains, impuretés, etc.).Ces défauts introduisent des états électroniques dans la bande interdite du matériau. Si un électron et un trou sont capturés dans le même piège, ils recombinant. Plus le niveau du piège est proche de la bande de conduction, plus la probabilité de capteur du trou (de l’électron) est faible. Les niveaux de piège les plus recombinants sont ceux situés au milieu de la bande interdite car ils piègent aussi efficacement les électrons que les trous [12].
➤ Recombinaison Auger [13] :
Les recombinaisons Auger sont elle aussi des transferts directs bande à bande d’un porteur. Dans ce cas il peut s’agir d’un électron ou d’un trou. Cependant, au lieu d’être émise sous forme d’un photon, l’énergie est transférée à un autre porteur du même type. Ce dernier se thématisera ensuite par émission de phonons.

➤ Vitesse de recombinaison en surface :
En raison de phénomènes intrinsèques et extrinsèques, la surface du semi-conducteur est le siège d’états spécifiques, appelés états de surface, dont les niveaux d’énergie peuvent se situer dans le gap .