Physique des cellules solaires au silicium

Le solaire photovoltaïque (PV) est l’une des formespossibles de l’utilisation de l’énergie solaire. Le PV consiste en laconversion directe du rayonnement solaire en énergie électrique. Le PV estappelé à un très fort développement dans le contexte énergétique mondial,compte tenu de la raréfaction des énergies fossiles et du réchauffementclimatique. Le contexte économique du PV est abordé, ainsi que les impactssociétaux et environnementaux.

La principale filière PV actuellement utilisée est baséesur l’utilisation d’un matériau semiconducteur cristallin : le silicium.Les principaux éléments de physique des semiconducteurs, nécessaires à lacompréhension détaillée du fonctionnement des cellules solaires, sontintroduits dans les premiers chapitres du cours : structure de bande,transport, jonction p-n, contacts semiconducteur-métal… Cette introduction estfacilement accessible aux étudiants possédant des bases de physique :éléments de mécanique quantique et physique statistique, connaissances enoptique. Cette présentation des concepts de base est illustrée par de nombreuxexercices. Cette introduction permet ensuite l’étude approfondie des cellulessolaires cristallines, notamment à base de silicium. L’influence des diversparamètres sur les performances des cellules est abordée à l’aide de logicielsde simulation.

La seconde partie du cours est consacrée aux cellules àbase de silicium en couche mince. On introduit d’abord les propriétés spécifiquesdes semiconducteurs désordonnés et plus particulièrement du silicium amorphehydrogéné. On décrit ensuite le fonctionnement des cellules à base de siliciumen couches minces, notamment celles qui associent le silicium amorphe etnanocristallin. On termine par les hétérojonctions qui combinent siliciumcristallin et amorphe.