L'effet photovoltaïque, transformation de l'énergie solaire («photon») en énergie électrique («volt») a été découvert en 1839 par le physicien A.Becquerel.

Cet effet met en jeu trois phénomènes physiques, intimement liés et simultanés :

•  L'absorption de la lumière dans le matériau

•  Le transfert d'énergie des photons aux charges électriques

•  La collecte des charges.

1. L'absorption de la lumière

La lumière se compose de photons. Ceux-ci peuvent pénétrer dans certaines matières, et même passer au travers. Plus généralement, un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir trois événements optiques :

•  La réflexion  : la lumière est renvoyée par la surface de l'objet

•  La transmission  : la lumière traverse l'objet

•  L'absorption  : la lumière pénètre dans l'objet et n'en ressort pas, l'énergie est restituée sous une autre forme.

L'énergie d'un photon est donnée par :

avec : h : constante de Planck (6,62.10^-34 J.s).

ν  : fréquence (Hz).

c : vitesse de la lumière (3.10⁸ m/s).

l  : longueur d'onde (m).

Dans un matériau photovoltaïque, une partie du flux lumineux absorbé sera restitué sous forme d'énergie électrique. Il faut donc au départ que le matériau ait la capacité d'absorber la lumière visible, puisque c'est ce que l'on cherche à convertir : lumière du soleil ou des autres sources artificielles.

2 . Le transfert d'énergie des photons aux charges électriques

Comment l'énergie lumineuse est-elle convertie en électricité ?

Les charges élémentaires qui vont produire le courant électrique sous illumination sont des électrons, charges négatives élémentaires contenus dans la matière semi-conductrice. Tout solide est en effet constitué d'atomes qui comprennent chacun un noyau et un ensemble d'électrons gravitant autour.

Les photons vont absorber leur énergie aux électrons périphériques, ce qui leur permet de se libérer de l'attraction de leur noyau. Ces électrons libérés sont susceptibles de produire un courant électrique si on les attire ensuite vers l'extérieur.

3 . La collecte des charges

Pour que les charges libérées par l'illumination soient génératrices d'énergie, il faut qu'elles circulent. Il faut donc les attirer hors du matériau semi-conducteur dans un circuit électrique.

Cette extraction des charges est réalisée au sein d'une jonction créée volontairement dans le semi-conducteur. Le but est d'engendrer un champ électrique à l'intérieur du matériau, qui va entraîner les charges négatives d'un côté et les charges positives de l'autre côté. C'est possible grâce au dopage du semi-conducteur. La jonction d'une photopile au silicium est constituée d'une partie dopée au phosphore( P), dite de type n, accolée à une partie dopée au bore( B ), dite de type p. C'est à la frontière de ces deux parties que se crée un champ électrique pour séparer les charges positives et négatives (cf. figure 5).

Figure1 : création du champ électrique