Cellules photovoltaïques multi-jonctions : récupérer mieux l'énergie de la lumière

L'exercice de spécialité du bac S 2017 Nouvelle-Calédonie, noté sur 5 points et prévu pour une cinquantaine de minutes, compare deux technologies solaires : une cellule triple-jonction de Sharp, formée de trois couches de semi-conducteurs, et une cellule Microsol au silicium. À partir de documents, l'élève calcule des rendements, l'énergie de photons, puis explique l'avantage de l'empilement de couches. C'est un exercice de raisonnement autant que de calcul, qui se termine par une question de synthèse.

Question 1 : comparer les rendements

Le rendement est le rapport entre la puissance électrique maximale et la puissance lumineuse reçue, égale à l'ensoleillement multiplié par la surface, ici 1000 W·m^-2. Pour la cellule Sharp, la puissance maximale se lit sur la courbe de puissance, vers 2,7 V : environ 33 mW, pour une puissance reçue de 89 mW, soit un rendement d'environ 37 %. Pour la cellule Microsol, le tableau donne 4,210 W pour 24,3 W reçus, soit environ 17 %. Le piège : lire la puissance sur l'axe de gauche, celui de l'intensité, ou diviser des milliwatts par des watts.

Question 2 : l'énergie des photons

Avec E = hc/λ et λ en mètre, le photon de 1,0 µm transporte 2,0 × 10^-19 J, celui de 0,65 µm transporte 3,1 × 10^-19 J. Les gaps étant donnés en électronvolt, on divise par 1,60 × 10^-19 : 1,2 eV et 1,9 eV. Laisser λ en micromètres, ou multiplier au lieu de diviser lors de la conversion, sont les deux erreurs à éviter. Le photon de plus courte longueur d'onde est le plus énergétique.

Question 3 : la cellule au silicium

Le gap du silicium vaut 1,1 eV. Les deux photons ont une énergie supérieure : ils sont absorbés. Mais chaque photon absorbé ne fournit au mieux qu'une énergie égale au gap, le surplus partant en chaleur. L'énergie électrique maximale vaut donc 2 × 1,1 = 2,2 eV, et non la somme des énergies des photons. Sur les 3,1 eV apportés, 0,9 eV est perdu.

Question 4 : la cellule triple-jonction

La lumière rencontre successivement InGaP (1,8 eV), GaAs (1,4 eV) et InGaAs (1,0 eV). Le photon de 1,9 eV est absorbé dès la première couche, qui restitue 1,8 eV. Le photon de 1,2 eV traverse les deux premières couches, dont le gap est trop élevé, puis est absorbé par InGaAs, qui restitue 1,0 eV. Total : 2,8 eV, contre 2,2 eV pour le silicium. Il faut comparer l'énergie de chaque photon à chaque gap, dans l'ordre où la lumière rencontre les couches.

Question 5 : la synthèse

La lumière solaire est polychromatique, d'environ 300 nm à 2000 nm. Avec un seul gap, le silicium perd une grande partie de l'énergie des photons visibles. Les trois gaps de la cellule Sharp découpent le spectre en trois domaines, et leur ordre décroissant permet à chaque couche de laisser passer les photons qu'elle ne convertit pas bien. Dans l'ordre inverse, la couche de gap 1,0 eV absorberait tout dès l'entrée. Attention : la cellule Sharp n'absorbe pas nettement plus de photons, son seuil étant voisin de celui du silicium ; le gain vient de l'énergie mieux récupérée par photon.

Conseils

Pour la synthèse, appuyez-vous sur chaque document, traitez séparément la constitution et l'ordre des couches, puis reliez votre conclusion aux rendements calculés à la question 1. La notion de gap ne figure plus au programme actuel, mais elle est fournie par le document : l'exercice reste un excellent entraînement sur l'énergie du photon et les conversions d'unités.