L’électricité solaire photovoltaïque

a) Principe de la photopile

L’effet photovoltaïque fut découvert par Antoine Becquerel (grand-père de Henri, découvreur de la radioactivité naturelle) en 1839 et permet la conversion directe du rayonnement solaire en électricité.

Comme toute onde électromagnétique, la lumière du Soleil transporte de l’énergie sousforme d’un flux de photons qui, s’il est suffisamment important, peut arracher et déplacer les electrons d’un matériau expose. La lumière est donc capable de mettre en mouvement des electrons, c’est-à-dire de créer un courant électrique.

Cela est généralement réalisé dans des semi-conducteurs structurés en réseau cristallin où les électrons sont localisés dans des états énergétiques qui les lient aux atomes du réseau. Sous l’effet du flux de photons, ces electrons peuvent se libérer de l’attraction du reseau et participer à la conduction électrique.

b) Fonctionnement de la photopile

Le matériau le plus communément utilise dans la conception d’une photopile est le silicium monocristallin. C’est normalement un isolant car son atome possède quatre électrons sur sa couche externe, qui sont tous utilises pour la liaison avec les autres atomes. II n’y a donc pas d’électron libre dont le déplacement pourrait créer un courant électrique.

Cependant, une préparation spécifique consistant a introduire des impuretés, qui sont en fait des atomes étrangers, dans le reseau de silicium (on parle alors de dopage du silicium) peut le transformer en un semi-conducteur.

Les impuretes sont de deux types :

- soit des atomes de phosphore dont la couche périphérique comporte cinq elec- trons. L’insertion de tels atomes dans le reseau cristallin va libérer un electron qui devient disponible pour le transport du courant. Le silicium est alors un semi-conducteur de type N (il y a abondance d’électrons libres)

:

- soit des atomes de bore dont la couche périphérique comporte trois électrons.

Leur insertion va créer un trou positif dans la structure cristalline. Le silicium est alors un semi-conducteur de type P (il y a abondance de trous libres, ou encore deficit d’électrons libres).

En créant une jonction entre les deux types de silicium P e t

N ,

- du côte P, des charges negatives avec des atomes de bore ayant un électron - du côté N, des charges positives avec des atomes de phosphore ayant un élec- Lorsqu’un photon du rayonnement lumineux vient frapper la zone de transition entre les siliciums de type P e t N, il arrache a l’atome de silicium P un electron. Le trou ainsi crée va alors se déplacer du côte P et l’électron du côté N, créant ainsi

un courant électrique (voir fig. 3.6).

Les cellules photovoltaïques peuvent être faites de silicium monocristallin ou multicristallin.

excédentaire ; tron en moins.

N P

-

- -

e-

-

O

Sous l’effet du rayonnement solaire, les électrons de la couche P sont libérés (chaque photon libére un électron) et rejoignent la couche N en créant un courant électrique.

-

Au contact des couches N et P du silicium, les électrons en excès dans la couche N diffusent dans la couche P.

La couche P est alors chargée négativement, la couche N positivement.

II y a création d‘un champs électrique au niveau de la jonction.

1i

-

Figure 3.6. Principe de fonctionnement d’une photopile.

Le premier requiert un refroidissement lent du silicium fondu (plusieurs ..eures) et on obtient un cristal qui peut atteindre 1 metre de long. Ce cristal est ensuite découpé a la scie diamantée en fines tranches de 300 a 400 microns. Le rende- ment (rapport entre l’énergie électrique créée et l’énergie solaire reçue) peut atteindre 1 5 %.

Le silicium multicristallin, quant a lui, est refroidi plus rapidement. Les cristaux sont plus petits et le rendement moins élevé du fait de l’hétérogénéité de la cellule (13 %), mais sa fabrication est moins consommatrice d’énergie, donc moins onéreuse.

Enfin il existe, a moindre échelle, des cellules constituées de silicium non cristallin (dit amorphe). Ce matériau est bon marché. En outre, il absorbe mieux la lumière que le silicium cristallin et une couche mince de 1 micron suffit. Cependant, les photopiles obtenues ont un rendement faible (6 %) et instable dans le temps. Elles se sont rapidement imposées sur le marché des calculettes, peu sensibles au rendement et aux instabilités des photopiles, mais ces défauts deviennent rédhi- bitoires sur le marché de l’énergie.

c) Réalisation de la production électrique par un équipement

Une convention internationale a défini la puissance-crête (unité : le Watt-crête - Wc) comme étant la puissance optimale que peut fournir une photopile dans les condi- tions de référence suivantes : éclairement solaire de 1000 W/m2 (rappelons que la puissance solaire moyenne sur la Terre est de 1 7 0 W/m2) a une temperature de 25 “ C (voir

3

Une seule cellule circulaire de silicium monocristallin de 10 cm de diamètre produit une puissance-crête de 1,3 Wc. Cette puissance correspond a une intensité de courant de 2,7 Amperes sous 0,5 Volt, ce qui est insuffisant pour une quelconque utilisation industrielle. Aussi les cellules sont-elles Connectées en série-parallèle (afin d’augmenter a la fois l’intensité et la tension du courant de sortie) et encapsu- Iées dans un verre ou un plastique pourformer un module. Par exemple, un module

photovoltaïque

de 1 m2, constitué d’une centaine de cellules de silicium monocristallin de 10 cm de diamètre, atteindra une puissance-crête d’une centaine de Watts. Sous un éclairement solaire moyen de 200 W/m2, correspondant a un ensoleillement de 5 kWh/m2/jour, ce module produira dans unejournée une énergie électrique maxi- mum de 0,5 kWh. Les modules peuvent être assemblés en panneaux pouvant eux- mêmes être interconnectés pour former un champ de modules.

Les panneaux photovoltaïques convertissent donc directement l’énergie solaire en énergie électrique. Celle-ci est stockée dans une batterie d’accumulateurs au plomb qui la restitue a la demande. Un régulateur protège la batterie contre des surcharges qui peuvent survenir.

Ainsi le jour, les panneaux chargent les batteries et la nuit, l’électricité est fournie par les batteries.

En 1995, la capacité mondiale en puissance photovoltaïque installée était de 400 MWc, qui pouvaient se décliner de la façon suivante :

- 2 0 MWc (5 %), petits appareils (montres, calculettes, gadgets ...) alimentés par des cellules de faible puissance (inférieure au watt).

- 60 MWc (15 %), production d’électricité raccordée au réseau électrique - toits et murs photovoltaïques, centrales électriques photovoltaïques.

L‘intérêt du raccordement au réseau est de se dispenser du coûteux stockage d’électricité dans les batteries. Un onduleur permet d’injecter directement l’électricité produite dans le reseau électrique de la maison. Si la consomma- tion locale est supérieure à la production de la centrale, l’appoint est fourni par le réseau. Dans le cas contraire, le surplus de courant produit est fourni au reseau pour alimenter d’autres consommateurs.

Ces opérations ne peuvent se faire qu’avec l’aide des pouvoirs publics (subven- tions ou rachat de l’électricité produite a un tarif préférentiel) car l’électricité photovoltaïque est de 5 à 10 fois plus chère que l’électricité traditionnelle.

- 320 MWc (80 %), alimentation en électricité d’habitations, d’équipements publics isolés (alimentation d’abris mobiles, panneaux publicitaires, telecommunication).

d) Quelques exemples de centrales photovoltaïques

Delphos (Italie, 3 MW), Korbern Gondorf (Allemagne, 340 kW), Lugo (États-Unis, 1 MW), Mont-Soleil (Suisse, 500 kW), Tolède (Espagne, 1 MW), Saijo (Japon, 1 MW).

e) Quelques exemples d’applications locales Éclairage d’abribus

Puissance-crête des modules : 49 Wc Charge de stockage : 1 0 5 Ah

Puissance des équipements : 3 5 W Tension : 1 2 V

Bouée de signalisation

Puissance-crête des modules : de 40 à 225 Wc

Charge de stockage : de 60 a 360 Ah

Puissance des équipements d’éclairage : 10 W Tension : 1 2 V

Relais de télécommunication

Puissance-crête des modules : 7 560 Wc Charge de stockage : 6 500 Ah

Puissance des équipements : 1 kW Tension : 48 V