Chapitre V
Energie solaire Photovoltaïque
Chap. V : Energie solaire Photovoltaïque Prof. E.-K. Hachem Année Universitaire 2019-2020 Page 1 Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) Antoine Becquel
(1788 - 1878)
L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable produite par le rayonnement du soleil.
Découverte en 1839 par le physicien français Becquerel.
L’étymologie du mot ‘‘ photovoltaïque ’’ provient du grec ‘‘photos = lumière’’, et de ‘‘Volta = inventeur’’ de la pile électrique.
L’énergie solaire photovoltaïque est une technologie encore jeune
L'effet photoélectrique
1839 : Découvert le principe photovoltaïque par Antoine César Becquerel et son fils Edmond
1886 : Étudié par Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894, All) 1905 : Expliqué par Albert Einstein (1879-1955)
Les systèmes photovoltaïques
1954 : Première cellule réalisée aux États-Unis d'Amérique pour les besoins spatiaux (laboratoires Bell) (Pearson, Chapin, Fuller) avec un rendement de 6%.
1959 : Premier satellite artificiel équipé de cellules solaires (satellite américain Vanguard) 1973 : Crise pétrolière. Développement des systèmes solaires
1985 : Université de Nouvelle-Galles du Sud (Australie) : Piles de rendement 20%
1994 : NREL : pile de rendement 30%
Aujourd'hui
Gros travail de recherche partout dans le monde
Technologie qui commence à approcher de la viabilité économique
Implémentation des Giga projets dans le monde (Au Maroc : moi de Mars 2017 S.M. le Roi préside la cérémonie de lancement des travaux de réalisation de la 4ème phase du projet Noor de Ouarzazate)
V. 1. Physique de la conversion photovoltaïque V. 1. 1. l’Effet Photoélectrique
L'effet Photoélectrique c’est l’interaction du photon incident sur un électron lié de la cible, à qui il communique toute son énergie. Le photon incident est donc totalement absorbé par un atome, qui émet alors un électron.
Première voiture alimentée par énergie photovoltaïque (1983) Satellite américain Vanguard en 1959
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= −
: Énergie du photon incident : Énergie de liaison
: Énergie de l'électron émis
Impossible à observer ce phénomène avec de la lumière visible sur un atome isolé.
L’effet photoélectrique se produit en deux temps. Tout d’abord, le photon arrache ( ) un électron lié d’un atome.
Dans le cas d’un gamma, il s’agit généralement d’un électron appartenant aux couches les plus internes ou (comme sur la figure).
Ensuite l’atome qui a perdu un de ses électrons internes se trouve dans un état excité.
Un électron d’une couche plus externe ( ) vient occuper la lacune laissée par l’électron éjecté.
Si l’électron éjecté appartenait à la couche comme sur la figure, un rayon est émis lors de cette transition.
L’effet photoélectrique est le phénomène qui transforme les infrarouges, la lumière, les ultraviolets en courant électrique dans les panneaux solaires photovoltaïques.
V. 1. 2. Effet photoélectrique dans un cristal Pour deux atomes pris isolément, leurs électrons ont des niveaux d’énergie discrets. Lorsque ces deux atomes sont suffisamment rapprochés pour interagir, il se produit une division et un recouvrement de leurs niveaux d’énergie.
Dans un matériau solide, ce phénomène s’amplifie les structures de bande continues, avec une alternance de bandes permises et de bandes interdites.
Les couches sont remplies en partant du bas (plus faible énergie). Le dernier électron à une énergie dite "de Fermi". La répartition des bandes dépend du matériaux et de la température.
L’interaction entre un photon du rayonnement solaire et un électron du matériau solide dépend de cette structure de bande, en distingues 3 types de matériaux, selon leur structure de bandes d’énergie :
Les conducteurs (métal) Les isolants
Les semi-conducteurs
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Conducteurs : toutes les longueurs d’onde peuvent être absorbées Bons conducteurs électriques et thermiques
Matériaux de couleur sombre ou réfléchissants (si polis)
Les photons absorbés sont transformés en chaleur (phonons = vibration du cristal) Isolant : le photon n’interagit avec l’électron que s’il peut fournir à ce dernier une énergie supérieure à la largeur de la bande interdite (ou gap).
( < 0,25 , soit > 5 rayonnement UV)
Le rayonnement solaire se trouve à des énergies majoritairement inférieures donc pas d'absorption (< 3 )
Semi-conducteur : largeur de bande interdite plus faible que pour les isolants
( 0,6 à 2 ). Possibilité de production des électrons de conduction si le photon est suffisamment énergétique
V. 1. 3. Effet photoélectrique dans un semi-conducteur
Lorsque le photon incident présente une énergie suffisante ! ", un électron de la bande de valence bascule dans la bande de conduction où il se comporte comme un électron libre et peut se déplacer dans le cristal.
Il laisse un vide (« trou ») dans la bande de valence. Il est chargé positivement. Lui aussi se déplace dans le cristal, à une vitesse différente de celle de l'électron.
On parle de paire "électron/trou".
Si un électron rencontre un trou, il peut y avoir recombinaison. L'électron libère alors de énergie sous forme thermique.
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V. 1. 4. Zone utile du spectre solaire
Si un photon a une énergie supérieure ou égale au gap optique, c’est qu’il a une longueur d’onde inferieure a une certaine valeur, puisque ces deux grandeurs sont inversement proportionnelles, rappelons-le :
=ℎ $, ce se traduit par ( é0 1 2 320 4) = 1,24⁄ ( )
Le gap optique du silicium cristallin est de = 1,12 . Un photon possédant cette énergie a une longueur d’onde de 1,1 (dans le proche infrarouge).
Pour le silicium amorphe, = 1,77 . Un photon ayant cette énergie est en lumière rouge, avec une longueur d’onde de 700 = 0,7 .
Tous les photons d’énergie supérieure à ces seuils, et donc de longueurs d’onde inferieures, sont opérationnels pour la conversion photovoltaïque.
Si 9: < : pas d'effet photoélectrique (zone I)
Si 9: > ; : une partie seulement de l'énergie du photon libère un électron (zone III) et le reste est dissipé en chaleur (zone II)
Ici, la zone utile (<<<) représente 48% de l'énergie solaire incidente.
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Ceci est la borne maximale du rendement de cette cellule photovoltaïque.
Dans le domaine d’énergie situe sous le gap optique se trouvent les électrons de valence du matériau, c’est-à-dire ceux qui sont liés aux atomes.
Dans la bande de conduction se trouvent ceux qui en ont été extraits et sont libres de circuler dans le matériau.
Elle est donc vide quand le semi-conducteur n’est pas illumine.
Lorsqu'un photon a une énergie suffisante, il est absorbe et fait passer un électron de la bande de valence a la bande de conduction.
Diagramme d'énergie d'un semi-conducteur : (a) dans l'obscurité (b) sous illumination
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Que se passe-t-il s'il a une énergie supérieure a ?@?
Le photon 2 de la figure (b) génère une paire électron-trou a un niveau supérieur, mais l'excèdent est perdu par un processus de désexcitation spontané qui produit de la chaleur et ramène son énergie a .
Donc quelle que soit son énergie, pourvu qu'elle soit supérieure à , chaque photon absorbe ne crée qu'une seule paire électron-trou d'énergie .
V. 1. 5. Les matériaux semi-conducteurs
La largeur de bande dépend fortement du réseau cristallin (nature et qualité).
Des impuretés, même en très faible concentration, font apparaître de nombreuses bandes parasites qui rendent les cristaux conducteurs. La qualité d'un semi-conducteur dépend de sa pureté.
Les principaux semi-conducteurs :
Silicium amorphe, polymères semi-conducteurs, verres semi-conducteurs A D , Halogénures (alliages d'antimoine, tellure ou sélénium), semi-conducteurs organiques ℎ 1è $FGRFS, Tℎ 0è $FSRU, 12 2 è $CGRFC
Pour les applications solaires, le gap est compris entre V et V, W XY Silicium cristallin 1 − DE : 1,12
Arséniure de Gallium A H4 : 1,35 Silicium amorphe − DE : 1,7
Rendement théorique maximal selon le matériau
La puissance électrique théorique maximale JZ: est calculée a l’aide du courant théorique <Z: et le gap optique du matériau de la façon suivante
JZ: =1
[ <Z: , [ é 0 1ℎ ; K 0′é0 1 2
Le rendement électrique est le rapport entre la puissance électrique générée par unité de surface et la puissance du rayonnement solaire par unité de surface (éclairement solaire)
] = JZ:
A∗ E, Exemple :
le Rendement théorique du silicium cristallin, sous HO0 d’une puissance de 1350 _/ C = 135 _/1 C et JZ:= 58,8 _/1 C
] =58,8
135 = 0,44
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Performances photovoltaïques théoriques maximales des semi-conducteurs pour un rayonnement HO0 d’une puissance de 1350 _/ 2 .
Silicium cristallin
= 1,1 Arséniure de gallium
= 1,4
Courant ( H/1 C) 53,5 39
Puissance ( _/1 C) 58,8 55
Rendement ]S 0,44 0,41
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V. 2. Cellule solaire photovoltaïque
V. 2. 1. Création d'un champ électrique dans une cellule
Pour que les charges libérées par l’illumination soient génératrices d’énergie, il faut qu’elles circulent.
À l’image d’un barrage :
Avoir des électrons libres (de l’eau) c’est bien, mais c’est couples avec la tension électrique (hauteur du barrage) qu’ils fourniront une énergie électrique (d’énergie mécanique par chute de l’eau).
Il faut donc extraire les charges du matériau semi-conducteur dans un circuit électrique. Sinon, elles se recombinent : l’électron, charge négativement, neutralisant le "trou", charge positivement.
Autrement dit, les électrons libères retrouveraient leur état initial a la périphérie de leur atome : cela libérerait de l’énergie thermique (chaleur) mais aucune énergie 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 cote et les charges positives de l’autre.
C’est possible grâce au dopage du semi-conducteur.
La jonction d’une photopile au silicium est constituée au moins d’une partie dopée au phosphore (J), dite de type " ", accolée à une partie dopée au bore (P), dite de type "T".
C’est à la frontière de ces deux parties que se crée un champ électrique pour séparer les charges positives et négatives.
V. 2. 2. La collecte des porteurs de charge
Le dopage des se mi-conducteurs
Le dopage d'un semi-conducteur pur va permettre d'amener des charges excédentaires qui amélioreront la conductivité du matériau.
Le dopage des semi-conducteurs, il crée un champ électrique au sein du matériau.
À la figure suivante,
on représente une vue schématisée, à plat, des atomes de silicium (à 4 électrons dans la couche externe) qui sont chacun lies à 4 atomes de silicium voisins.
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Le dopage a
En le dopant avec des atomes étrangers de phosphore (J) qui ont 5 électrons sur leur couche externe, un électron par atome de phosphore ne pourra pas se lier avec ses correspondants du silicium, il y aura alors un excèdent de charges négatives dans le cristal (bE;M ( ) M K 44M4). Le matériau sera donc potentiellement "donneur" d’électrons, disponibles pour la conduction électrique, et le silicium ainsi dope est appelé silicium de type
, c'est le dopage n.
Le dopage c
Par symétrie, on peut également doper le silicium avec du bore qui a seulement trois électrons par atome dans la bande de valence.
Le résultat est l’apparition d’un excèdent de trous, donc de charges positives, puisqu’il manque un électron à chaque atome de bore pour compléter les 4 électrons du silicium
!bE;M M K 44M4 (1)". Le materiau est a l’inverse du précédent "accepteur" d’électrons. Ce matériau ainsi dope est appelé silicium de type T.
V. 2. 3. La Jonctions T − et T − E −
La mise en contact de deux zones à dopages opposés dans un semi-conducteur constitue un élément fort connu : la diode.
On accole deux semi-conducteurs de même bande interdite et de types et T
À l'interface ou les concentrations d'atomes étrangers font passer le silicium du type T au type apparait une région appelée zone de charge d'espace qui provient de la tendance des électrons excédentaires de la couche à vouloir passer du côté T ou ils sont attires par les trous excédentaires et de la tendance des trous à vouloir passer du côté par réciprocité.
Cet échange de porteurs dans la zone de charge spatiale crée une différence de potentiel électrostatique (un champ électrique non mesurable avec un voltmètre car n'est pas créée par un courant) qui va contre balancer l'échange de charges et rétablir l'équilibre.
silicium pur (intrinsèque) silicium de type (1) silicium de type T
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La cellule solaire est donc le plus souvent une tranche de silicium dope T d’un cote, et de l’autre, à laquelle sont ajoutes des contacts électriques pour collecter le courant.
Cette jonction a donc les caractéristiques électriques d’une diode au silicium classique avec, sous illumination, apparition d’un photo-courant indépendant de la tension et proportionnel au flux lumineux et à la surface de la cellule. Mais cette simple structure T − , adaptée au silicium cristallin, n'est pas suffisante dans tous les cas.
Par exemple, un silicium amorphe dope de type T n'est pas un très bon photoconducteur, et il est préférable que la conversion photovoltaïque se produise dans un matériau non dope, dit intrinsèque, et note E .
La cellule au silicium amorphe classique se compose donc de trois couches : T − E − . La couche E placée au centre du dispositif est la plus épaisse, et sert a la conversion des charges.
Les couches T et quant a elles permettent la création du champ électrique interne qui s'étend dans toute la couche E, ce qui favorise la séparation des charges.
Cette jonction T − E − peut même être doublée ou triplée pour former des multijonctions.
V. 2. 4. La jonction T − sous un éclairement En circuit ouvert,
les électrons s'accumulent du côté et les trous du côté T jusqu'à compenser le champ électrique de la jonction. La tension aux bornes de la jonction est alors maximale.
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En circuit fermé,
les électrons produits sont drainés du côté sous l’action du champ électrique exercé par la jonction T − et les trous sont drainés du côté T.
Dès que les porteurs de charge se trouvent dans une zone de leur type, ils ne risquent plus de se recombiner autrement que par les défauts du réseau ou de la surface.
À la surface, les électrons sont collectés par une grille métallique.
V. 2. 5. Caractéristique de la jonction g − h ≡ jkljX
Nous avons explique plus haut pourquoi que la jonction servant de base a la photopile est une diode. Lorsqu’elle est illuminée, apparait dans cette diode un photo-courant qui dépend de la quantité de lumière incidente. D’ou le terme photodiode, également employé pour designer une photopile.
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La figure suivante présente les deux caractéristiques courant-tension de cette photodiode : dans l’obscurité en trait pointille, et sous illumination en trait plein.
V. 2. 6. Comment déterminer la courbe caractéristique d'une cellule solaire mn Pour déterminer la courbe caractéristique
de d'une cellule solaire J , on part de la caractéristique connue d’une diode.
La courbe caractéristique d'un diode : La courbe caractéristique d’une diode au silicium (jonction T − dans l’obscurité, figure suivante) qui s’écrit :
<o = <p! q r q⁄ s− 1"
où d'une manière simplifiée,
<o( ) = <p q q⁄ s T2M ≫ Z avec
<o : Courant de la diode.
: Tension aux bornes de la cellule photovoltaique ( );
Z : Potentiel thermique = uvL⁄ (= 26 à 300 ) u = 1,38 10xCB (y/ ) constante de Boltzmann ; [ = 1,602 10xFz ( $2M02 )charge de l'électron ; L : température absolue en kelvins ( );
<p : Courant de saturation de la diode.
: Facteur d'idéalité, dépendant du matériau (0 : diode idéale, 1 : Pour le DE ou le A ) La cellule solaire {Y idéale sous un éclairement :
Le courant de court-circuit (ou photocourant) <|} est proportionnel à l'éclairement direct A∗ incident sur la cellule :
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<|} = ~ 4 A∗
où ~ est un coefficient dépend faiblement de la température L de la cellule (~ = 0,35 H _⁄ T2M 0 DE0E1EM 1 E4 00E ), 4 la surface de la cellule.
Caractéristique courant/tension :
Sous l'éclairement, la cellule solaire J présente la particularité de pouvoir fonctionner comme étant u5n générateur d'électricité, en délivrant un courant électrique continu.
En effet, ce comportement électrique de la cellule n'est d'autre que celui d'une diode sous un éclairement.
On considère généralement le modèle simple suivant :
avec
<9 ∶ 12M K Tℎ2 2TE0 ,
<|} ∶ Tℎ2 212M (<|} = ~ 4 A∗),
<o ∶ 12M K 4 0€2 41M E é •<o = <p! q r q⁄ s− 1"‚
<9( ) = ~ 4 A∗− <p! q r q⁄ s− 1"
Quadrant III : photorésistance et
Quadrant IV : générateur photovoltaïque
À l’aide de cette équation, on peut quantifier les paramètres suivants :
Tension de circuit ouvert ƒ„, lorsque le courant est nul !<9( ) = 0"
ƒ„= Zln †1 +<|}
<p ˆ 2M, T2M <ƒƒ ≫ <p∶ ƒ„ = Zln †<|}
<p ˆ Courant de court-circuit <ƒƒ , valeur du courant lorsque la tension = 0 .
Il vaut : <ƒƒ = <9:
Schéma électrique équivalent d'une cellule photovoltaïque idéale <9= <|}− <o
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Les caractéristiques d'une cellule solaire réelle
Pour une cellule solaire J Réelle, on peut compléter le schéma équivalent d'une cellule solaire idéale (figure ci-dessus ) en ajoutant deux résistances pour tenir compte des pertes internes.
‰p : Représente la résistance en série qui tient compte des pertes ohmiques des matériaux, des métallisations et du contact métal/semi-conducteur ;
‰9 : Représente une résistance en parallèle (ou résistance de fuite) provenant de courants parasites entre le dessus et le dessous de la cellule, par le bord en particulier et à l’intérieur du matériau par des inhomogénéités ou impuretés.
L’équation de la caractéristique courant-tension devient alors :
<9! 9" = ~ 4 A∗− <p! !qŠ‹ Œ• ŽŠ" r q⁄ s− 1" − ! 9+ ‰p <9" ‰• 3 1 <9 9: = ~ 4 A∗ Remarque :
Le courant de court-circuit <ƒƒ, lorsque = 0, n'est plus strictement égal à <9:.
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Puissance de la cellule (optimale) :
Au point O, situe au "coude" de la courbe caractéristique, la puissance de la photopile est maximale pour l’éclairement considéré.
Ce point dit de puissance maximale est associe a une tension dite de tension maximale „9Z et de courant maximal <„9Z.
La puissance de la cellule optimale (maximale) : J• = J‘„’“r” = „9Z . <„9Z
Facteur de forme –– ("Fill Factor") :
Il est clair que plus la courbe est "carrée", plus la puissance maximale est élevée.
On mesure cette propriété par le (où ) facteur de forme (fill factor) défini comme suit :
–– = J• ƒ„ . <ƒƒ
Il rend compte de la qualité de la cellule, intégrant les résistances internes série et parallèle.
Pour les bonnes cellules, –– > 70% .
L'influence des résistances en série ‰pet en parallèle ‰9 (les figures suivantes):
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D'après la courbe gauche ci-dessus, on déduit que la résistance en série ‰p joue sur le facteur de forme .
Rendement énergétique d'une cellule solaire J :
Le rendement énergétique est défini quant à lui comme le rapport entre cette puissance maximale produite et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur le module photovoltaïque.
Si 4 est la surface de ce module, et A∗ l'éclairement en _/ C, le rendement énergétique il s'écrit :
] = J• A∗ 4
Ce rendement est souvent mesuré dans les conditions de référence, c'est-à-dire sous un éclairement de A∗ = 1000 _/ C, à la température de 25 °$ et sous un spectre HO1,5.
Ces conditions normalisées sont dites "STC", pour Standard Test Conditions.
La puissance maximale (J•) d'un panneau dans ces conditions STC est appelée la puissance crête (Jƒ) exprimée en watts-crête.
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Les facteurs réduisant le rendement sont :
Recombinaison électron-trou (rendement de collecte) Forme de la caractéristique réelle (non rectangulaire) Résistances ‰p et ‰9
Réflexions à la surface de la cellule
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V. 3. Module photovoltaïque
V. 3. 1. Définitions
Le module photovoltaïque (capteur solaire photovoltaïque) est constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement. Il convertit sur place et très simplement l'énergie solaire reçu en courant électrique continu. Ce courant est alors directement transformé grâce à un convertisseur (Onduleur) en courant alternatif.
Dans le module photovoltaïque, les cellules sont en général montées en série (la borne positive d’une cellule est reliée à la borne négative de la cellule suivante). On obtient ainsi une tension plus élevée (en général 12 ou 24V).
Panneau photovoltaïque :
Un panneau photovoltaïque est un groupement de plusieurs modules. Ces modules seront montés eux mêmes en série si on souhaite obtenir une tension supérieure à 12 ou 24V ou en parallèle (dérivation) ( les bornes positives des différents panneaux sont reliés ensemble, les bornes négatives également) si on souhaite obtenir une intensité plus importante.
Champ photovoltaïque :
Un champ photovoltaïque est constitué de l’ensemble des panneaux photovoltaïques, des liaisons électriques qui les régissent ainsi que des supports sur lesquels ils sont installés. Lorsque l’on parle de champ photovoltaïque on parle de l’installation complète des panneaux sur le toit ou au sol .
V. 3. 2. Groupement de cellules photovoltaïques
Association des cellules photovoltaïques en série
Dans un groupement en série en additionnant les cellules c-à-d la borne positive d’une cellule est reliée à la borne négative de la cellule suivante (figure suivante).
Le courant de la branche reste la même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules en série.
Les caractéristiques résultante du groupement en série est obtenue par l'addition des tensions à courant donné. La figure suivante montre la caractéristique résultante
<p, p (indice 4 pour montage en série)
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