Comment les semi-conducteurs dans les panneaux solaires photovoltaïques exploitent la puissance du soleil

Un semi-conducteur solaire photovoltaïque est un type de cellule solaire qui convertit l’énergie solaire en énergie électrique et est composé d’une large gamme de matériaux et de dispositifs.

Il est présent dans toute installation photovoltaïque en autoconsommation ou sur quelconque type de panneaux photovoltaïques qu’il soit polycristallin ou en silicium mono cristallin.

Qu’est-ce qu’un semi-conducteur solaire photovoltaïque ?

Il est utilisé depuis des décennies, et les principes et propriétés des cellules solaires ont été établis. Ce type de semi-conducteur est basé sur une absorption efficace de la lumière, une séparation de charge et un transport rapide pour la conversion de l’énergie solaire.

Il repose sur des matériaux ferroélectriques qui peuvent héberger une polarisation électrique permanente. Cette polarisation permet de contrôler la distribution du champ électrique dans les régions de masse et d’interface.

L’influence des effets ferroélectriques sur l’efficacité de conversion de puissance du dispositif de cellule solaire peut être évaluée par un modèle physique, et l’ajout d’un semi-conducteur ferroélectrique et de couches de contact peut améliorer les performances des cellules solaires.

De plus, la manipulation des champs électriques internes via la polarisation pourrait être une méthode efficace pour améliorer l’efficacité des semi-conducteurs solaires.

L’analyse au microscope à force Kelvin Probe a en outre confirmé que le champ électrique de polarisation généré par l’intercalaire BiFeO3 est dirigé vers BiOI, augmentant ainsi le potentiel de surface et diminuant les reflux d’électrons et de trous entre TiO2 et BiOI.

Ceci, à son tour, a augmenté la tension en circuit ouvert de la cellule solaire et le courant de court-circuit, entraînant une multiplication par 5 de l’efficacité de conversion de puissance.

D’autres facteurs qui affectent le fonctionnement d’un module photovoltaïque comprennent la température, le rayonnement solaire et le courant de la batterie, et des structures symétriques Schottky MFM doivent être incluses pour obtenir un comportement commutable notable ou une grande boucle d’hystérésis dans les courbes J – V sous illumination.

Dans l’ensemble, les semi-conducteurs solaires photovoltaïques sont une technologie d’énergie renouvelable prometteuse.

semi-conducteur

Comment fonctionnent les semi-conducteurs solaires photovoltaïques ?

Les cellules solaires photovoltaïques sont des dispositifs qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Pour ce faire, ils utilisent l’effet photovoltaïque pour créer une tension à partir de l’énergie de la lumière solaire .

Cet effet est obtenu grâce à la combinaison de matériaux, tels que les semi-conducteurs de type p et de type n, qui, lorsqu’ils sont combinés, créent une jonction. Cette jonction crée alors une différence de potentiel, ou tension, lorsqu’elle est éclairée par la lumière.

La tension créée est connue sous le nom de tension en circuit ouvert (Voc), qui est la tension maximale pouvant être générée par la cellule. Cette tension est ensuite utilisée pour alimenter une charge et produire de l’électricité.

L’efficacité de la cellule solaire est limitée en raison de l’impossibilité d’exploiter tout le spectre solaire avec un seul matériau semi-conducteur [5]. Ainsi, des cellules solaires multi jonctions ont été développées pour surmonter ce problème.

Ces cellules sont constituées de plusieurs couches de matériaux différents, qui sont ensuite empilées et connectées de manière monolithique [4]. Cela permet à la cellule d’absorber une plus grande partie du spectre solaire, augmentant ainsi l’efficacité.

Cependant, l’efficacité de ces cellules est encore assez faible, avec des limites théoriques prédisant une efficacité de 90%, mais en pratique même pas la moitié de cette valeur a été atteinte. Pour augmenter encore l’efficacité, des matériaux avec des bandes intermédiaires de niveaux électroniques dans la bande interdite ont été utilisés.

Lorsque plus de photons sont incidents sur la cellule, la séparation des niveaux quasi-Fermi augmente, créant une différence de potentiel, Voc.

Cette différence de potentiel est créée par la division du niveau de Fermi d’équilibre thermique (EF) en niveau quasi-Fermi d’électrons porteurs minoritaires, EFn, et niveau quasi-Fermi de trous porteurs minoritaires, EFp.

Lorsque les photons frappent la cellule, des paires électron-trou sont créées. Les électrons du côté p circulent alors à travers la jonction vers le côté n, devenant des porteurs majoritaires, tandis que les trous du côté n circulent vers le côté p, devenant également des porteurs majoritaires.

De plus, une jonction métal-semi-conducteur est nécessaire pour tirer le courant de la cellule [4]. Cette jonction doit avoir une faible résistance afin d’éviter les pertes dans le courant. La polarité et la ferroélectricité de la cellule affectent également le mécanisme de fonctionnement en modifiant le diagramme énergétique global.

Par conséquent, pour que les cellules solaires photovoltaïques fonctionnent efficacement, une grande variété de propriétés doivent fonctionner de manière bénéfique.

Quels sont les avantages de l’utilisation du PV solaire à semi-conducteur ?

Les avantages offerts par le PV solaire à semi-conducteurs sont nombreux, ce qui en fait une option viable et attrayante pour la conversion de l’énergie solaire.

Ces avantages incluent leur respect de l’environnement, car la quantité de dioxyde de carbone libérée par les cellules solaires à base de silicium est négligeable, leur capacité à réduire les coûts des matériaux en diminuant la quantité de matériau absorbant nécessaire et leur potentiel à réduire le coût d’assemblage.

De plus, l’utilisation d’une concentration solaire intermédiaire peut également réduire la surface des cellules solaires et réduire les coûts proportionnellement au taux de concentration solaire.

En dehors de cela, la technologie PV a le potentiel de devenir une source d’énergie mondiale principale dans un avenir proche, avec une augmentation de 32 % de la capacité d’énergie solaire installée cumulée entre 2016 et 2017.

L’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque a augmenté au cours des dernières décennies, et l’électricité produite par l’énergie solaire photovoltaïque est désormais la troisième ressource d’énergie renouvelable la plus utilisée au monde, l’énergie solaire ayant ajouté plus de nouvelles capacités que la production d’énergie nucléaire et fossile.

De plus, l’utilisation d’hétérostructures III-V, et en particulier de cellules solaires en cascade, peut améliorer le rendement de conversion de puissance des cellules solaires, le rendement le plus élevé étant atteint dans le domaine photovoltaïque en utilisant des cellules solaires CdS/CdTe dépassant 20 %.

Des techniques telles que MBE et MOCVD sont utilisées pour produire des cellules solaires en cascade, tandis que la diffraction des rayons X peut être utilisée pour montrer l’orientation préférée de la croissance de CdTe.

De plus, le PV solaire à semi-conducteur a la capacité d’améliorer la réponse spectrale de la cellule solaire, et différents cycles peuvent être utilisés pour caractériser les propriétés par rapport au super-réseau.

De plus, une couche absorbante composite peut être utilisée pour améliorer considérablement l’efficacité de conversion photoélectrique de la cellule. Tous ces facteurs signifient que la technologie PV a une perspective passionnante en tant que moyen de répondre aux besoins énergétiques futurs du monde.

Technologie des cellules solaires

Comment la technologie des cellules solaires est-elle utilisée dans les semi-conducteurs solaires photovoltaïques ?

La technologie des cellules solaires est utilisée dans les semi-conducteurs solaires photovoltaïques pour la conversion d’énergie. Cela se fait à l’aide de semi-conducteurs II-VI et III-VI, qui permettent une conversion efficace de la lumière solaire en électricité.

Les progrès récents des semi-conducteurs II-VI et III-VI ont également contribué à l’amélioration de la technologie des cellules solaires.

Les semi-conducteurs composés de chalcopyrite sont explorés pour leur utilisation potentielle dans les cellules solaires photovoltaïques, tandis que les cellules solaires à colorant (DSSC) ont fait l’objet d’une attention considérable au cours des dernières années.

Différents constituants semi-conducteurs sont appliqués dans la conception de DSSC efficaces, tandis que des matériaux semi-conducteurs inorganiques sont utilisés pour charger des colorants sensibilisateurs pour des DSSC efficaces.

Une surface spécifique élevée et une grande taille de pores sont essentielles pour fabriquer des électrodes DSSC dans des structures semi-conductrices nanoporeuses.

Divers types de semi-conducteurs sont utilisés dans les applications DSSC, y compris les semi-conducteurs ternaires AⅠBⅢC cristallisant dans des structures de chalcopyrite, qui ont démontré la plus grande efficacité pour les cellules solaires en laboratoire.

CuAlTe2 possède une valeur de bande interdite appropriée, une énergie de liaison plus petite, une absorption de la lumière et une efficacité d’utilisation plus élevées.

Ce qui en fait un bon absorbeur photovoltaïque, tandis que CuAlS2 et CuAlSe2 sont limités aux applications d’absorption de cellules solaires en raison de leur énergie de liaison d’exciton élevée et de leur rayon de Bohr.

Les États-Unis sont l’un des principaux pays mettant en œuvre la technologie solaire photovoltaïque et, en 2018, ils ont généré 92,6 TWh d’énergie solaire photovoltaïque.

la technologie des semi-conducteurs

Quels types de matériaux sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires ?

Les matériaux utilisés pour construire les cellules solaires doivent être hautement efficaces et fiables, ainsi que faciles à fabriquer, à stocker et à transporter.

Les cellules solaires sont fabriquées à partir de divers matériaux, dont le silicium, le tellurure de cadmium, le séléniure de cuivre-indium et l’arséniure de gallium, ainsi que des matériaux organiques tels que des polymères et de petites molécules.

Ces matériaux sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires qui peuvent être utilisées pour générer de l’électricité ou alimenter d’autres appareils tels que des satellites.

En outre, des recherches sont menées pour trouver de nouveaux matériaux pouvant être utilisés dans les cellules solaires, tels que les matériaux ferroélectriques.

Le matériau le plus couramment utilisé dans les cellules solaires est le silicium, qui est utilisé pour absorber la lumière et la convertir en énergie électrique. Cependant, l’utilisation de l’indium, un métal rare, devient de plus en plus courante.

L’utilisation de l’indium dans les cellules solaires présente plusieurs avantages, tels que des performances améliorées et une efficacité accrue, mais elle présente également certains inconvénients, tels que la nécessité d’un recyclage.

Ainsi, afin de réduire l’impact environnemental des cellules solaires, les chercheurs travaillent à trouver des matériaux et des méthodes alternatives de fabrication des cellules solaires.

Quels sont les composants clés d’une cellule solaire?

Les cellules solaires polymères sont une technologie émergente pour la récupération d’énergie en raison de leur faible coût et de leur polyvalence. Les cellules solaires polymères contiennent des composants clés tels que des polymères semi-conducteurs et d’autres matériaux, qui ont des propriétés et des impacts différents sur le fonctionnement de la cellule.

En conséquence, les exigences matérielles pour les cellules solaires en polymère sont différentes de celles des autres types de cellules solaires [19]. Le potentiel des cellules solaires polymères pour produire de l’électricité à faible coût en a fait une alternative viable aux cellules solaires conventionnelles.

Les cellules solaires à colorant (DSSC) sont un autre type de cellule solaire qui a été développé ces dernières années. Les DSSC sont une alternative rentable à la technologie des cellules solaires, car ils utilisent une couche de TiO2 diffusant la lumière et un rapport surface/volume élevé de nanomatériaux.

De plus, les DSSC sont composés de plusieurs composants clés, tels que la demi-cellule anodique, l’interface semi-conducteur-colorant-électrolyte, les particules de TiO2 et les cellules tandem pérovskite et c-Si.

Ces composants sont essentiels pour une conversion efficace de l’énergie. De plus, des nanoparticules d’oxyde telles que Al2O3 et SiO2 peuvent être combinées avec des particules de TiO2 pour augmenter l’efficacité de conversion d’énergie d’un DSSC.

Bien que la recherche scientifique sur les cellules solaires ait tendance à se concentrer sur la conception de base des cellules, les brevets liés aux cellules solaires impliquent généralement une technologie appliquée utilisée dans les modules.

Enfin, les principaux groupes de citations de publications scientifiques liées aux cellules solaires incluent les cellules solaires au silicium et composées.

Application des semi-conducteurs solaires photovoltaïques

Quelles sont les applications courantes des semi-conducteurs solaires photovoltaïques ?

Les semi-conducteurs solaires photovoltaïques sont couramment utilisés dans les dispositifs photovoltaïques en tant que matériaux photo absorbants et sont utilisés pour produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire.

Les semi-conducteurs composés sont essentiels pour la fabrication des cellules solaires et comprennent des éléments des familles II-VI et III-VI. Les cellules solaires à colorant (DSSC) sont une application populaire des semi-conducteurs photovoltaïques en raison de leur efficacité à convertir l’énergie solaire en électricité.

Afin d’améliorer l’efficacité des DSSC, il est nécessaire de comprendre leurs principes élémentaires et de configurer la structure. Les électrodes des DSSC nécessitent une surface élevée et une grande taille de pores, et les nanocristaux de semi-conducteurs colloïdaux peuvent être utilisés pour réduire les coûts de production.

Les nanocristaux de chalcogénure de plomb IV-VI ont été le matériau le plus étudié pour les dispositifs photovoltaïques, mais leur toxicité a conduit à l’exploration de semi-conducteurs alternatifs, tels que les semi-conducteurs de monochalcogénure d’étain et de germanium IV-VI.

Ces semi-conducteurs possèdent des propriétés similaires aux chalcogénures de plomb et sont constitués d’éléments abondants en terre, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les dispositifs photovoltaïques.

De plus, les spectres de rayonnement solaire varient considérablement en fonction des conditions météorologiques, et des programmes informatiques spécialisés tels que SolarSpectrum et SMARTS2 peuvent être utilisés pour estimer les spectres pour diverses conditions.

L’efficacité des modules photovoltaïques basés sur divers absorbeurs semi-conducteurs peut être comparée pour les jours clairs, ensoleillés et nuageux, et l’angle d’inclinaison du module affecte également l’ampleur de la composante diffusée incidente de surface et l’efficacité du module.

Ainsi, les changements dans le spectre du rayonnement solaire peuvent influencer les propriétés des modules photovoltaïques.

Comment les semi-conducteurs solaires photovoltaïques peuvent-ils être utilisés pour produire de l’électricité ?

Les semi-conducteurs solaires photovoltaïques, tels que les matériaux ferroélectriques, sont utilisés pour générer de l’électricité à partir de la lumière du soleil.

La conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique est basée sur l’effet photovoltaïque, qui implique l’utilisation d’un dispositif semi-conducteur à jonction ap–n (ou p–i–n).

Les principes de fonctionnement des cellules solaires ont été largement discutés dans la littérature, et l’efficacité de conversion de puissance des cellules solaires est déterminée par divers facteurs. Les concepts de deuxième génération tels que les cellules solaires à colorant (DSC) constituent un bon point de départ pour le développement de nouveaux dispositifs.

Les DSC en tandem peuvent être construits en utilisant deux électrodes photoactives à l’intérieur d’une cavité pour augmenter la limite d’efficacité théorique d’environ 50 %. Le photovoltaïque de troisième génération vise des rendements de conversion élevés avec des coûts de production de dispositifs faibles.

Des systèmes de type p hautes performances sont en cours de développement pour faire fonctionner des DSC en tandem par un mécanisme analogue mais inversé aux DSC de type n.

Les dispositifs à simple jonction basés sur des semi-conducteurs solaires photovoltaïques partagent les mêmes restrictions de performances que les dispositifs conventionnels, à savoir la limite de Shockley-Queisser.

Le coût de production des cellules solaires à base de semi-conducteurs solaires photovoltaïques promet d’être nettement inférieur à celui des dispositifs conventionnels.

Les cellules solaires à couches minces sont un segment en croissance rapide de l’activité photovoltaïque, et l’efficacité de conversion de la lumière en électricité des meilleurs modules proposés sur le marché est supérieure à 20 %.

Le photovoltaïque en vrac Si est une technologie mature qui bénéficie des processus de croissance et de fabrication très avancés développés pour l’industrie de la microélectronique.

Les cellules solaires à couches minces peuvent réduire le coût par unité de surface tout en conservant une efficacité raisonnable, et les cellules solaires à couches minces basées sur des semi-conducteurs composés de silicium amorphe, microcristallin et polycristallin, de tellurure de cadmium et de diséléniure de cuivre-indium ont déjà prouvé leur viabilité commerciale et leur part de marché.

Les modules de cellules solaires basés sur des tranches de silicium polycristallin monocristallin et à gros grains représentent plus de 80 % du marché.

Les alliages CdTe peuvent être utilisés comme cellule supérieure sur du silicium pour générer de l’électricité, et les pérovskites peuvent être utilisées sur des cellules inférieures commerciales, notamment le silicium, le CdTe et le CIGS.

Les cellules solaires multi-jonctions sont la voie la plus logique pour augmenter les performances des modules PV au-delà de 25 %.

Les progrès récents dans les technologies photovoltaïques (PV) à jonction unique commerciales ont rapproché l’efficacité des dispositifs de leurs limites pratiques, et les candidats à bande interdite à couche mince tels que les pérovskites peuvent être utilisés comme semi-conducteurs solaires photovoltaïques.

Plusieurs conceptions de dispositifs photovoltaïques multi jonctions potentiellement à haut rendement utilisant des matériaux III-NV sont discutées.

fabrication d'un semi-conducteur

Quels sont les avantages de l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque à semi-conducteurs pour la production d’électricité ?

Les matériaux semi-conducteurs sont particulièrement intéressants pour les applications photovoltaïques car ils permettent aux électrons de circuler lorsque les photons des rayons solaires sont absorbés, créant un trou qui est rempli par les électrons environnants.

Avec la capacité de convertir efficacement l’énergie solaire en électricité, les matériaux semi-conducteurs ont un rôle clé à jouer dans l’industrie de l’énergie solaire. En conséquence, le PV solaire à semi-conducteurs est considéré comme une option viable pour la production d’électricité.

Des méthodes de fabrication de haute technologie telles que MBE ou MOCVD sont utilisées pour produire des cellules solaires en cascade, qui sont très efficaces dans la conversion de l’énergie solaire.

En outre, des matériaux alternatifs moins chers sont explorés pour remplacer les cellules solaires conventionnelles à base de semi-conducteurs inorganiques et réaliser des économies.

Des exemples de tels matériaux comprennent des molécules de colorants organiques et des métaux semi-conducteurs à large bande interdite.

Un modèle de simulation a suggéré que l’utilisation de cellules solaires organiques semi-transparentes pourrait entraîner une augmentation de 46 % du poids au sol sec des cultures de tomates par rapport à une serre agro photovoltaïque conventionnelle à cellules de silicium.

Cela démontre le potentiel des cellules solaires organiques pour révolutionner l’agro photovoltaïque d’une technologie de partage solaire à une utilisation sélective du spectre solaire. Des cellules solaires à couches minces basées sur des matériaux de silicium moins chers sont également explorées, car elles offrent une efficacité raisonnable et sont commercialement viables.

La réduction des coûts peut aider à minimiser l’écart entre les cellules solaires et l’énergie conventionnelle.

De plus, les technologies photovoltaïques devraient générer respectivement 345 GW et 1081 GW d’électricité d’ici 2020 et 2030, ce qui en fait un contributeur majeur à l’approvisionnement énergétique mondial. De plus, l’énergie solaire est la source d’énergie la plus abondante et peut répondre aux demandes de la société.

En conséquence, le solaire photovoltaïque est une option prometteuse pour la production d’énergie renouvelable et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer son potentiel.

La firme TSMC est d’ailleurs à ce jour le grand gagnant puisque le plus grand fabricant de semi-conducteurs au monde.