Bonjour, 

J'ai lu que les panneaux photovoltaïques ne sont pas simplement fait d'un semi-conducteur (Silicium) mais aussi de dopants. Apparemment c'est souvent le bore et le phosphore qui sont utilisés. A quoi servent-ils et pourquoi choisir ces éléments en particulier ? Brièvement, savez-vous me dire comment les dopants interagissent / fonctionnent ? :-)

 Ta question laisserait supposer que tu n'as pas de  notion sur le principe des semi-conducteurs au niveau fondamental (?)

donc de façon   succincte:   

A la base tout repose sur la structure quantifiée de l'énergie dans un cristal. De même que dans un atome les électrons ne peuvent se trouver qu' à des niveaux d'énergie bien précis, dans un réseau d'atomes, les électrons se répartissent selon  des bandes d'énergie autorisées et interdites.

La capacité à être conducteur, semi-conducteur ou isolant se joue dans le gap d'énergie qui sépare la bande dite de valence de la bande de conduction.( elles se chevauchent pour les très bons conducteurs)  Et cette capacité est directement liée à la structure de la couche électronique externe qui permet aux électrons   de   franchir  plus ou moins facilement  ce gap.   

Le silicium pur est un semi-conducteur médiocre .

La couche de valence de l'atome comprend 4 électrons et dans un réseau cristallin , lié à ses voisins, sa couche de valence est saturée . Le gap entre le niveau valence et conduction n'est cependant pas trop élevé pour permettre lorsque la température s’élève de devenir semi-conducteur  .   ( la hauteur du gap pour Si est d' environ  1.12  ev à température ambiante; pour un très bon isolant, c'est  de l'ordre de 5).  La conduction repose donc uniquement sur l'agitation thermique qui doit être suffisante pour que certains électrons franchissent cette barrière.

Le dopage de Si  permet alors de renforcer la capacité de conduction en substituant des éléments qui s'y prêtent à certains  atomes du réseau de silicium. ( un  dopage efficace  représente néanmoins un taux très faible  d'atomes de substitution) .

On utilise soit un atome avec 5 électrons dans sa couche de valence et donc la substitution laisse un électron libre . Le phosphore est effectivement un élément répondant à la question.On qualifie l'atome  d'atome donneur.  Dans le jargon, on parle alors de semi-conducteur type N   . (A noter l'arsenic aussi utilisé fréquemment comme  donneur)

Dans l'autre sens , on utilise des atomes de substitution avec 3 électrons sur la couche de valence. Le bore en fait partie.( on utilise aussi l'indium dans les cellules photovoltaïques)  Dans ce cas l'atome est un atome accepteur qui capte un électron du silicium créant ainsi un trou dans le cristal de silicium. On parle dans ce cas de semi-conducteur de type P. Schématiquement ,  tout ce passe comme si la conduction était assurée par le déplacement des trous, en fait les électrons se déplaçant en sautant dans les trous  .

La  combinaison de ces deux types fondamentaux  est à la base de l'électronique ( jonction PN, jonction PNP etc...)

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Edité par Sennacherib 5 mars 2017 à 10:16:45

Merci beaucoup pour toutes ces précision. Est-ce qu'une résistance est placée comme dans un circuit normal ? Aussi, de quoi est faite la jonction P-N en général pour faire circuler les électrons en "trop" jusqu'aux trous (d'après ce que je comprends) ?

Si je comprends bien, c'est donc uniquement en présence de lumière que se crée donc une tension mais il faut une résistance pour bien fermer le circuit. Cette tension est-elle continue ou alternative ? 

Par ailleurs, la seule chose que j'ai pas très bien compris dans ce que tu expliques c'est 

"La capacité à être conducteur, semi-conducteur ou isolant se joue dans le gap d'énergie qui sépare la bande dite de valence de la bande de conduction.( elles se chevauchent pour les très bons conducteurs)  Et cette capacité est directement liée à la structure de la couche électronique externe qui permet aux électrons   de   franchir  plus ou moins facilement  ce gap.   "

Pour le silicium tu dis que c'est 1.22 eV donc ça reste correct, non ? il ne serait pas si médiocre que ça donc...

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Edité par AntoineRb 5 mars 2017 à 22:11:09

 1-  quand j'ai  parlé de semi-conducteur médiocre , le terme est peut-être mal  choisi , disons   moins efficace .  

 2- Cet article de wiki décrit qualitativement le principe de  fonctionnement d'une cellule photovoltaïque avec deux couches  P N:  https://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque   

3- Les panneaux délivrent une tension continue. Une installation doit donc comprendre  un onduleur pour transformer ce courant en courant alternatif.

D'accord, c'est assez clair comme ça pour la théorie. Est-ce que le seul facteur important (ou plutôt primordial) est l'exposition lumineuse des panneaux pour les faire fonctionner correctement ? La température joue t-elle aussi un rôle ? Car plus la température est élevée, plus les molécules sont agitées d'après ce que je sais (plus d'énergie cinétique) et donc ça diminuerait l'énergie entre les différents niveaux.

Up.

Nota: par contre je suppose qu'il y a une température maximale et une température minimale "critiques" 

La longueur d’onde de la lumière incidente est probablement un facteur déterminant aussi…? 

je crois que ces PDF pourrait t'intéresser :

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00769542/document

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00471254/document

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Edité par PierreLacroix5 11 mars 2017 à 6:53:44

Merci beaucoup ! D'ailleurs, ça doit forcément être un atome à 5 électrons comme Sennacherib le dis ? Je pense pas que l'Arsenic en ait 5...

AntoineRb a écrit:

  Je pense pas que l'Arsenic en ait 5...

si!

 j'ai d'ailleurs mentionné son usage équivalent à celui du phosphore comme donneur dans le premier post.

Dans la table de Mendeleïev, P et As sont dans la même colonne As juste sous P.

Le remplissage des couches électroniques est le suivant:

P   2  8  5

As 2  8  18  5

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Edité par Sennacherib 14 mars 2017 à 21:05:18

En effet... Mais pourquoi il faut absolument 5 électrons de valence et pas simplement plus que 4 ? Enfin, un excès d'électrons...

AntoineRb a écrit:

En effet... Mais pourquoi il faut absolument 5 électrons de valence et pas simplement plus que 4 ? Enfin, un excès d'électrons...

5 ou ...3 selon comment tu dopes!

- manifestement,en disant cela,  tu ne sembles pas avoir bien compris le  principe du dopage d'un semi-conducteur que j'ai tenté d'expliquer, certes sommairement, dans mon premier post ...   Il est bien évident que si on substituait  un atome de même valence, il n'y aurait aucun effet dopant. Lorsque on substitue une atome à  5 électrons, le cinquième est "libre" dans le réseau et passe plus facilement dans la bande de conduction. 

- Pour répondre à une autre question sur l'effet de la température et de l'éclairement,

voici une cellule type et sa courbe de fonctionnement courant/tension (courbe rouge) pour un éclairement donné . On voit qu'il y a un point optimal de fonctionnement correspondant au maximum de puissance, obtenue pour une tension VMPP  . La tension à vide Vco est la tension aux bornes en circuit ouvert. Icc est le courant max de court circuit.

 Si l'intensité lumineuse augmente, le palier de la   courbe rouge ( courant de saturation)  se décale vers le haut  proportionnellement à la puissance lumineuse , la tension Vc0 légèrement sur la droite, ce qui est assez intuitif... plus l'éclairement est fort plus on produit de courant ...heureusement     

L'effet de température est moins intuitif, en effet  plus la température de surface de la cellule est élevée, moins bon est le rendement . D'une certaine façon, le solaire a un moins bon rendement quand il fait chaud !   

La courbe rouge se décale en fait vers la gauche dans  la partie décroissante , le niveau de saturation étant peu affecté. On voit donc que si on est à un fonctionnement optimal (IMPP, VMPP) pour une température donnée,  la puissance délivrée va chuter si T augmente, toutes choses égales par ailleurs.

un lien qui explicite cette relation entre rendement, température et éclairement  

http://ipco-co.com/IJSET_Journal/CIER-2014/82.pdf 

  

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Edité par Sennacherib 15 mars 2017 à 12:10:57

Merci ! Pour l'influence de la température c'est super clair (enfin le concept en tout cas ) Par contre, j'avais compris ce que tu voulais dire. Je voulais simplement dire, pourquoi par utiliser un atome ayant 6 électrons de valence au lieu de 5 (excès d'électrons) et puis pour la déficience d'électrons un atome avec 2 électrons de valence :) 

D'ailleurs, à un moment donné tous les trous seront remplis et y aura donc plus de courant qui sera formé non?

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Edité par AntoineRb 15 mars 2017 à 18:08:43

dans ton dernier post, en lisant vite ta phrase  " et pas simplement plus que 4" , j'avais zappé " plus que " !

Ceci étant, on peut faire effectivement des semi-conducteurs avec bien autre chose qu'un élément simple dopé. Il existe de multiples alliages ayant des propriétés semi-conductrices 

voir un bestiaire pas nécessairement complet dans wiki: https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_de_mat%C3%A9riaux_semi-conducteurs

pour les panneaux solaires, si les cellules en silicium dopé  restent encore majoritaires, d'autres solutions sont développées .

 voir par exemple cet article qui fait un point sur  différentes solutions industrielles ou en développement http://www.vigneux-tournesoleil.fr/Documentation/1688-cellules-photovoltaiques-coeur-panneaux-solaires-c25ff0b.pdf

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Edité par Sennacherib 15 mars 2017 à 23:45:49

AntoineRb je débarque ici car je me pose la même question que toi : je me dis que si on utilise des atomes avec 2 et 6 électrons de valence, le résultat serait meilleur qu'avec 3 et 5 puisqu'on cherche une différence de charge. As-tu trouvé la réponse à cette question depuis le temps ?