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Le principe photovoltaïque à jonction PN

1940
  • Russell Ohl
Jonction P-N dans une cellule solaire démontrant la physique des semi-conducteurs.

(generate image for illustration only)

A solar cell’s core is a p-n junction, an interface between p-type and n-type semiconductor materials. This junction creates a built-in electric field in a depletion region. When photons with sufficient energy strike the semiconductor, they create electron-hole pairs. The electric field separates these charge carriers, driving electrons to the n-side and holes to the p-side, generating a voltage.

La jonction p-n est l'élément fondamental de la plupart des cellules solaires. Elle est formée en associant un semi-conducteur de type p, riche en trous (porteurs de charge positifs), à un semi-conducteur de type n, riche en électrons (porteurs de charge négatifs). Ce procédé est généralement obtenu en dopant un cristal semi-conducteur unique, comme le silicium, avec différentes impuretés de chaque côté.

At the interface, electrons from the n-side diffuse into the p-side, and holes from the p-side diffuse into the n-side. This diffusion process doesn’t continue indefinitely. As electrons and holes cross the junction, they recombine, leaving behind ionized donor atoms on the n-side and ionized acceptor atoms on the p-side. This creates a region depleted of free charge carriers, known as the depletion region or space charge region. The fixed, ionized atoms in this region establish a strong, static electric field pointing from the n-side to the p-side.

This built-in electric field is crucial for the photovoltaic effect. When a photon with energy greater than the semiconductor’s bandgap energy ([latex]E_g[/latex]) is absorbed, it excites an electron from the valence band to the conduction band, creating an electron-hole pair. If this pair is generated within the depletion region or close enough to diffuse into it, the electric field acts on them. The field sweeps the electron towards the n-side and the hole towards the p-side. This separation of charge prevents immediate recombination and creates an accumulation of positive charge on the p-side and negative charge on the n-side. This charge separation across the device results in a photovoltage, which can drive a current through an external circuit, thus converting light energy into electrical energy.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Physique

Taper

Dispositif physique

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • découverte de l'effet photoélectrique par Heinrich Hertz (1887)
  • einstein’s explanation of the photoelectric effect (1905)
  • développement de la physique des semi-conducteurs et des techniques de dopage
  • découverte de la rectification au contact métal-semiconducteur (1874)

Applications

  • panneaux solaires photovoltaïques
  • photodiodes
  • diodes électroluminescentes (DEL)
  • transistors à semi-conducteurs

Brevets:

  • US2402662A

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