La physique d'une cellule silicium, de bout en bout.

La photosphère solaire se comporte en bonne approximation comme un corps noir porté à environ 5777 kelvins, ce qui produit un rayonnement étalé du proche ultraviolet jusqu'à l'infrarouge lointain. Au sommet de l'atmosphère terrestre, l'irradiance totale intégrée s'établit autour de 1361 W/m², valeur connue sous le nom de constante solaire et révisée par les missions spatiales SORCE et TIM depuis les années 2000.

Une fois traversée l'atmosphère selon un angle zénithal de 48,2°, dit Air Mass 1,5 — c'est-à-dire 1,5 fois l'épaisseur verticale d'air —, l'irradiance utile au sol descend à 1000,4 W/m² intégrés entre 280 et 4000 nm, selon la norme ASTM G-173. Ce point de fonctionnement constitue la référence des Conditions Test Standard (STC) sur lesquelles s'étalonnent toutes les fiches techniques de modules, et sert également de base au calcul de la limite Shockley-Queisser.

Chaque photon de ce spectre transporte une énergie discrète donnée par la relation E = h × c / λ, où h désigne la constante de Planck, c la vitesse de la lumière et λ la longueur d'onde. En reportant les valeurs CODATA — h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s, c = 2,99792458 × 10⁸ m/s — pour un photon de longueur d'onde λ = 1000 nm (soit 10⁻⁶ m), le calcul donne :

E = (6,62607015 × 10⁻³⁴) × (2,99792458 × 10⁸) / (10⁻⁶)
E = 1,9864 × 10⁻²⁵ / 10⁻⁶
E = 1,9864 × 10⁻¹⁹ J

Conversion en électronvolts (1 eV = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ J) :
E = 1,9864 × 10⁻¹⁹ / 1,602176634 × 10⁻¹⁹ ≈ 1,240 eV

Une mnémotechnique pratique en résulte : pour toute longueur d'onde exprimée en nanomètres, l'énergie en électronvolts vaut approximativement 1240 / λ. À 500 nm, un photon vert transporte ainsi 2,48 eV ; à 1100 nm, un photon proche infrarouge n'en transporte plus que 1,13 eV. Le silicium ne convertira que les photons dont l'énergie dépasse son gap.

Le silicium pur est un semi-conducteur intrinsèque dans lequel chaque atome partage ses quatre électrons de valence avec ses quatre voisins. À 300 kelvins, la concentration de porteurs thermiquement excités reste très faible — de l'ordre de ni ≈ 10¹⁰ électrons par centimètre cube, la valeur précise actuellement admise (Altermatt et coauteurs) étant 9,65 × 10⁹ cm⁻³ —, et le matériau conduit donc très mal. L'industrie modifie ce comportement en introduisant volontairement des impuretés choisies, opération que l'on désigne par le terme de dopage.

Le dopage de type n consiste à substituer un atome de phosphore à un atome de silicium dans le réseau cristallin. Le phosphore comptant cinq électrons de valence, l'un d'entre eux ne trouve pas de place dans les liaisons covalentes et migre vers la bande de conduction, où il participe au transport du courant. La concentration de donneurs ND introduite va typiquement de 10¹⁵ à 10¹⁹ atomes par centimètre cube, à comparer à la densité atomique du silicium qui avoisine 5 × 10²² atomes par centimètre cube. Le dopage représente donc une impureté pour mille milliards d'atomes de matrice dans les zones modérément dopées, et environ un atome dopant pour cinq mille atomes de silicium dans les zones les plus chargées.

Le dopage de type p suit la logique inverse. L'atome de bore, qui ne compte que trois électrons de valence, prend la place d'un atome de silicium et capte un quatrième électron au voisinage immédiat pour compléter ses liaisons. Cette capture crée un trou — une absence d'électron — qui peut se déplacer de proche en proche dans le réseau et se comporte, du point de vue de la dynamique électrique, comme une charge positive mobile. Le bore est l'accepteur historique de la base des cellules PERC, mais le marché bascule massivement vers des bases dopées n (phosphore ou gallium) dans les architectures TOPCon, HJT et HBC, qui dominent la production série depuis 2024.

Lorsque les deux régions dopées sont mises en contact à l'intérieur d'un même cristal — ce qu'on obtient en pratique par diffusion thermique ou par implantation ionique au cours de la fabrication —, les gradients de concentration provoquent une diffusion immédiate des porteurs. Les électrons libres de la région n s'écoulent vers la région p, où ils se recombinent avec des trous, tandis que les trous suivent le chemin inverse. Ce mouvement laisse derrière lui les ions dopants fixes dans leur position d'origine.

Les charges ioniques fixes qui subsistent dans la zone dépeuplée — donneurs ionisés positifs côté n, accepteurs ionisés négatifs côté p — constituent la zone de charge d'espace (ZCE). Elles génèrent un champ électrique interne dirigé de la région n vers la région p, dont la valeur intégrée à travers la zone correspond à la tension de barrière Vbi de la jonction. Cette tension s'exprime par la relation Vbi = (kT/q) × ln(ND × NA / ni²) :

Pour une cellule c-Si standard à 300 K, avec :
- kT/q = 0,02585 V (potentiel thermique)
- ni  = 1,0 × 10¹⁰ cm⁻³ (concentration intrinsèque Si)
- ND  = 1,0 × 10¹⁹ cm⁻³ (émetteur fortement dopé)
- NA  = 1,5 × 10¹⁶ cm⁻³ (base typique)

ND × NA / ni²  = (10¹⁹ × 1,5×10¹⁶) / (10¹⁰)²
               = 1,5 × 10¹⁵
ln(1,5 × 10¹⁵) ≈ 34,9

Vbi ≈ 0,02585 × 34,9 ≈ 0,90 V

Cette tension de barrière, comprise pour le silicium entre 0,7 et 0,9 volt selon les niveaux de dopage, fixe la borne supérieure thermodynamique de la tension à vide qu'une cellule pourra délivrer. À l'équilibre, le courant de diffusion qui pousse les porteurs majoritaires s'équilibre exactement avec le courant de dérive du champ qui les rappelle en sens inverse. Toute paire électron-trou créée par un photon dans le voisinage immédiat de la zone de charge d'espace est alors séparée par le champ avant que les deux porteurs ne se recombinent, et l'ensemble se présente aux contacts métalliques comme une différence de potentiel mesurable, typiquement de 0,68 à 0,73 volt sur une cellule PERC, et jusqu'à 0,75 volt et plus sur une cellule HJT ou HBC haute performance.

Pour qu'un photon soit absorbé et génère une paire électron-trou, son énergie doit dépasser le gap du matériau. Le silicium cristallin présente à 300 K un gap dont la valeur de référence, établie par Martin Green à partir des données spectroscopiques compilées, vaut EG = 1,124 eV — chiffre généralement arrondi à 1,12 eV dans la littérature d'ingénierie. Cette valeur se traduit en une longueur d'onde de coupure λc par inversion de la relation précédente :

λc = h × c / EG

EG en joules : 1,12 × 1,602176634 × 10⁻¹⁹ = 1,7944 × 10⁻¹⁹ J

λc = (6,62607015 × 10⁻³⁴ × 2,99792458 × 10⁸) / 1,7944 × 10⁻¹⁹
   = 1,9864 × 10⁻²⁵ / 1,7944 × 10⁻¹⁹
   = 1,107 × 10⁻⁶ m
   = 1107 nm

Mnémotechnique : λc(nm) = 1240 / EG(eV) = 1240 / 1,12 ≈ 1107 nm

Tout photon de longueur d'onde supérieure à 1107 nm traverse le silicium sans interaction notable et contribue uniquement au réchauffement par l'intermédiaire du verre et de l'encapsulant. Cela représente environ 19 % du flux solaire AM 1.5G, perte dite « sub-bandgap » dans la décomposition Shockley-Queisser.

Au-delà de cette frontière en énergie, l'efficacité d'absorption dépend du coefficient α qui caractérise chaque longueur d'onde. Le silicium étant un semi-conducteur à gap indirect — c'est-à-dire que le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence ne coïncident pas dans l'espace des vecteurs d'onde —, toute transition électronique exige la participation simultanée d'un phonon, vibration du réseau cristallin. Cette participation à trois corps rend l'absorption nettement moins probable qu'à gap direct, et impose une épaisseur de matière conséquente pour capter une fraction utile de la lumière.

Les valeurs de profondeur 1/α illustrent le profil d'absorption dans l'épaisseur de la cellule. Pour vérifier qu'une cellule de 180 µm capte effectivement les photons proches de la coupure, on évalue la fraction transmise par la loi de Beer-Lambert :

Photon à 1000 nm, α = 64 cm⁻¹ = 6,4 × 10⁻³ µm⁻¹
épaisseur d = 180 µm

Fraction non absorbée : exp(-α × d) = exp(-6,4 × 10⁻³ × 180)
                                    = exp(-1,152)
                                    ≈ 0,316 → 32 % transmis

Fraction absorbée en un seul passage : 1 - 0,316 ≈ 68 %

Un tiers du flux à 1000 nm s'échappe donc en simple passage, ce qui justifie le recours à un réflecteur arrière en aluminium et à une texturation de surface en pyramides alignées sur les plans cristallographiques. Ces deux techniques, dites de piégeage de lumière, multiplient effectivement le chemin optique par un facteur 4n² ≈ 50 dans le silicium (limite de Yablonovitch), et portent l'absorption totale au-dessus de 95 % sur l'ensemble du spectre utile.

Lorsqu'un photon plus énergétique que le gap est absorbé, l'électron est promu non au bord de la bande de conduction mais à un niveau supérieur. Il relaxe ensuite très rapidement, en quelques picosecondes, vers le bord de bande en cédant son excès d'énergie au réseau cristallin par émission successive de phonons. Cette thermalisation dégrade en chaleur la fraction d'énergie qui dépassait le gap et constitue, selon les calculs de Shockley et Queisser, la plus grande source de pertes thermodynamiques d'une cellule à jonction unique (environ 33 % du flux AM 1.5G perdu sous cette forme pour un gap de 1,12 eV).

Une cellule industrielle au silicium cristallin standard superpose une demi-douzaine de couches fonctionnelles sur un wafer de base. La face avant porte successivement la métallisation collectrice (busbars et fingers d'argent sérigraphiés), une couche antireflet en nitrure de silicium déposée par PECVD d'environ 80 nm d'épaisseur — son indice de réfraction et son épaisseur sont choisis pour annuler les réflexions à 600 nm —, l'émetteur n+ dopé au phosphore par diffusion thermique sur quelques centaines de nanomètres, puis la base p qui occupe l'essentiel de l'épaisseur. Sur la face arrière, un champ de surface (BSF) dopé p+ par alliage avec l'aluminium précède la métallisation pleine plaque.

Une paire électron-trou créée dans le volume de la cellule doit parcourir une distance non négligeable pour rejoindre la zone de charge d'espace, où le champ interne prendra le relais et la séparera. La longueur caractéristique de ce déplacement, dite longueur de diffusion des porteurs minoritaires, dépend de la durée de vie τ et du coefficient de diffusion D selon la relation L = √(D × τ). Pour un silicium monocristallin de bonne qualité, l'ordre de grandeur se vérifie :

Coefficient de diffusion des électrons dans la base p
(dopage NA ≈ 10¹⁶ cm⁻³, mobilité µn ≈ 1400 cm²/V·s) :
D_n = (kT/q) × µn = 0,02585 × 1400 ≈ 36 cm²/s

Durée de vie typique d'un wafer Cz passivé : τ ≈ 100 µs = 10⁻⁴ s

L_n = √(D_n × τ) = √(36 × 10⁻⁴)
    = √(3,6 × 10⁻³)
    ≈ 0,06 cm
    = 600 µm

Une longueur de diffusion de 600 µm dépasse largement les 180 µm d'épaisseur du wafer, ce qui garantit qu'une paire générée dans le volume atteindra la jonction avant de recombiner — à condition que les interfaces ne dissipent pas les porteurs en chemin.

Trois mécanismes principaux concurrencent cette collecte en recombinant les paires avant qu'elles ne soient utiles. La recombinaison radiative restitue directement l'énergie sous forme d'un photon réémis, et constitue le seul processus inévitable qu'aient conservé Shockley et Queisser dans leur calcul. La recombinaison Auger transfère l'énergie de la paire à un troisième porteur, qui la dissipe en chaleur ; elle devient dominante dans les zones fortement dopées comme l'émetteur. Enfin, la recombinaison Shockley-Read-Hall s'appuie sur des défauts cristallins ou des impuretés métalliques (fer, cuivre, nickel) qui créent des niveaux pièges au milieu du gap : c'est elle que les procédés de passivation cherchent à éliminer en priorité.

Aux interfaces, et tout particulièrement à la surface avant, la densité de défauts est maximale en raison de la rupture du réseau cristallin et de la présence des contacts métalliques. Les architectures modernes investissent l'essentiel de leur effort technologique dans la passivation de ces interfaces. Le PERC interpose une couche d'Al₂O₃ entre la base et le contact arrière, le TOPCon ajoute un oxyde tunnel de 1 à 1,5 nm surmonté de silicium polycristallin dopé n+, le HJT recouvre les deux faces d'une couche de silicium amorphe hydrogéné de quelques nanomètres qui réduit la vitesse de recombinaison aux interfaces de plusieurs ordres de grandeur. Le HBC combine cette dernière stratégie avec une géométrie interdigitée qui déporte la totalité des contacts en face arrière, supprime l'ombrage de la grille avant et permet une section de métallisation très généreuse.

Le marché de juin 2026 reflète directement cette hiérarchie technologique. Les modules TOPCon dominent la production série, à hauteur d'environ 65 % du marché silicium cristallin selon le Photovoltaics Report Fraunhofer ISE, avec des rendements module de 23 à 24,8 % chez Jinko, JA Solar et Trina. Les modules HJT atteignent 23 à 24 % en gamme courante, et les modules à contact arrière (BC) de LONGi haut de gamme dépassent 26 % de rendement module. Les modules PERC, à 20-21,5 % de rendement module, sortent progressivement du catalogue des grands fabricants.

Les porteurs effectivement collectés atteignent leur contact respectif. Les électrons remontent par la grille avant en argent sérigraphié, dont la couverture représente environ 3 à 5 % de la surface active dans les cellules PERC et TOPCon à face avant métallisée, et zéro pour cent dans les cellules HBC où la totalité des contacts est déportée à l'arrière. Les trous sont captés par la métallisation arrière. Le circuit extérieur, branché entre les deux contacts, voit alors circuler un courant continu dont l'intensité reste proportionnelle au flux de photons incident dans la plage utile.

En 1961, William Shockley et Hans-Joachim Queisser publient dans le Journal of Applied Physics un calcul thermodynamique du rendement maximal qu'une cellule à jonction unique peut atteindre lorsqu'elle absorbe le rayonnement solaire. Leur démonstration ne fait intervenir que cinq hypothèses : tous les photons d'énergie supérieure au gap sont absorbés, chacun produit exactement une paire électron-trou, l'excès d'énergie thermalise, seule la recombinaison radiative est tolérée, et le transport des porteurs est idéal.

Recalculée avec le spectre AM 1.5G standardisé, la limite culmine à environ 33,16 % pour un gap voisin de 1,34 eV. Le silicium cristallin, avec son gap de 1,12 eV, atteint un plafond compris dans la fourchette de 30 à 32 % selon les hypothèses du recalcul (présence ou non d'un réflecteur arrière, modèle de recombinaison radiative, intégration spectrale). La décomposition typique des pertes pour Si à 1,12 eV donne environ 19 % perdus en photons sous-énergétiques (qui ne sont pas absorbés), 33 % perdus en thermalisation des photons trop énergétiques, et le reste réparti entre la perte de Carnot, la perte de Boltzmann et la perte d'émission radiative.

Les records expérimentaux ont longtemps progressé par fractions de point. Le fabricant chinois LONGi tient depuis décembre 2023 la cadence sur le silicium cristallin simple jonction : 27,09 % en HBC en décembre 2023, puis 27,30 % en mai 2024 — annoncé à Madrid et certifié par l'Institute for Solar Energy Research Hamelin —, puis 27,81 % en avril 2025 sur la variante HIBC (Hybrid Interdigitated-Back-Contact, silicium dopé gallium), 28,04 % en janvier 2026 et 28,13 % à la date de juin 2026. La même équipe a annoncé en avril 2025 un rendement de 34,85 % sur une cellule tandem perovskite-silicium à deux terminaux, validation NREL à l'appui — la séquence des records tandem complète va de 33,9 % (novembre 2023) à 34,6 % (juin 2024) puis 34,85 % (avril 2025), valeur significativement au-dessus du plafond Shockley-Queisser d'une jonction unique, possible grâce à l'empilement de deux absorbeurs aux gaps complémentaires (≈ 1,7 eV pour le perovskite supérieur, 1,12 eV pour le silicium sous-jacent).

En production série, l'écart avec le laboratoire reste substantiel. Les modules TOPCon vendus sur le marché belge en 2026 affichent des rendements compris entre 23 et 24,8 %, les modules HJT atteignent 23 à 24 %, et les modules à contact arrière LONGi haut de gamme dépassent 26 % de rendement module. Les modules PERC, en fin de vie technologique, plafonnent au-dessous de 22 % et quittent progressivement les catalogues. Cet écart laboratoire-série s'explique par les tolérances de fabrication, le passage de la cellule au module avec ses pertes optiques et résistives (CTM : cell-to-module), et la robustesse exigée en vingt-cinq à trente ans d'exposition extérieure.

Une fiche technique de module distingue toujours deux jeux de valeurs : les Conditions Test Standard (STC), définies à 1000 W/m² d'irradiance, 25 °C de température de cellule et un spectre AM 1.5G ; et les Conditions Nominales d'Opération (NOCT ou NMOT), définies à 800 W/m², température ambiante de 20 °C, vent à 1 m/s, qui rapprochent le module de son régime de fonctionnement réel. Sur le terrain, une cellule de toiture monte à 60 voire 70 °C l'été en plein soleil, et c'est cette température qui détermine la production réelle, par l'intermédiaire des coefficients de température β, α et γ.

Le coefficient β désigne la variation de la tension à vide Voc en fonction de la température, exprimé en %/°C ou en mV/°C. Le coefficient α désigne la variation correspondante du courant de court-circuit Isc, et le coefficient γ celle de la puissance maximale Pmax. Sur un module TOPCon contemporain — par exemple le Jinko Tiger Neo 3.0 annoncé en septembre 2025 et en mass production début 2026 —, les valeurs typiques sont β ≈ −0,25 %/°C, α ≈ +0,045 %/°C, et γ ≈ −0,26 %/°C. Un module HJT haut de gamme descend à γ ≈ −0,24 %/°C, valeur qui explique son avantage estival sur tout le bassin méditerranéen et, plus marginalement, sur la Belgique en été.

L'impact concret se calcule en multipliant le coefficient γ par l'écart de température. Une cellule à 60 °C subit ainsi (60 − 25) × 0,26 % = 9,1 % de perte par rapport au point STC, ce qui ramène un module 670 W STC à 609 W effectifs, hors autres pertes système. Cette baisse est l'une des deux explications principales du fait que la production estivale d'une toiture belge ne soit pas proportionnelle au pic d'irradiance.

Les fiches techniques distinguent par ailleurs deux régimes de dégradation. La dégradation linéaire annuelle, comprise entre 0,30 et 0,55 % par an selon la technologie et la qualité du module, intègre les vingt-cinq à trente ans de la garantie de performance. La dégradation initiale, dite LID (Light Induced Degradation), affecte spécifiquement les cellules à base p dopée bore : les complexes bore-oxygène formés sous éclairement réduisent typiquement de 1 à 3 % la puissance d'un module PERC au cours des premiers jours d'exposition. La dégradation LeTID (Light- and elevated Temperature-Induced Degradation) prolonge ce phénomène à plus long terme dans les modules mc-Si PERC sous chaleur. Cette double dégradation, étroitement liée au choix du bore comme accepteur, motive en grande partie le basculement industriel vers les bases dopées n des architectures TOPCon, HJT et HBC, qui réduisent ces effets d'un ordre de grandeur.

Toute datasheet de module qualifié pour vente en Belgique porte également deux références normatives : IEC 61215, qui spécifie les essais de qualification du design — exposition UV, cycles thermiques −40/+85 °C, chocs mécaniques, brouillard salin pour les versions PV maritimes —, et IEC 61730, qui spécifie les essais de sécurité — isolation, classe II, résistance à la chaleur sèche et humide, choc thermique localisé. Sans ces deux certifications, un module ne peut être déclaré conforme à la norme harmonisée européenne et son installation tombe en dehors du périmètre RGIE et Synergrid.

L'effet photoélectrique, décrit par Albert Einstein en 1905 dans l'article qui lui valut le prix Nobel en 1921, désigne l'éjection d'un électron hors d'un matériau — typiquement un métal — sous l'impact d'un photon d'énergie suffisante. L'électron émis se retrouve dans le vide ou dans un gaz environnant, et son énergie cinétique est égale à l'énergie du photon diminuée du travail d'extraction caractéristique du matériau. Ce phénomène fonde la photodétection et la spectroscopie de photoémission.

L'effet photovoltaïque, mis en évidence dès 1839 par Edmond Becquerel et expliqué en termes modernes après le développement de la mécanique quantique, désigne quant à lui la conversion directe de l'énergie lumineuse en différence de potentiel à l'intérieur d'un semi-conducteur structuré par une jonction. La cellule solaire actuelle exploite cet effet photovoltaïque et non l'effet photoélectrique : l'électron promu reste à l'intérieur du matériau, et c'est sa séparation spatiale d'avec le trou qui crée la tension utilisable aux bornes du circuit.