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Les cellules photovoltaïques Page 1 MASTER Traitement de l’information Année Un

Les cellules photovoltaïques Page 1 MASTER Traitement de l’information Année Universitaire : 2020/2021 Les cellules photovoltaïques Page 2 SOMMAIRE Sommaire........................................................................................................................................2 I/- Les cellules photovoltaïques............................................................................................................3 I.1/- Historique..........................................................................................................................3 I.2/- Définition et principe de fonctionnement.........................................................................3 II/- Types de cellules photovoltaïques.................................................................................................4 II.1/- 1ère génération : cellules cristallines...............................................................................4 Cellule en silicium monocristallin................................................................................5 Cellule en silicium polycristallin..................................................................................5 II.2/- 2ème génération : couches minces “thin films”..............................................................6 Le silicium amorphe.....................................................................................................6 Le tellure de Cadnium, Disélénium de cuivre indium(avec ou sans Gallium).............7 II.3/- 3ème génération..............................................................................................................8 Cellule photovoltaïque organique.................................................................................9 Cellules photovoltaïques multi jonctions.....................................................................9 Cellule photovoltaïque à concentration......................................................................10 III/- Rendement des cellules photovoltaïques...................................................................................11 IV/- Utilisations de l'énergie photovoltaïque.....................................................................................12 Conclusion....................................................................................................................................14 Bibliographie................................................................................................................................15 Les cellules photovoltaïques Page 3 I/- Les cellules photovoltaïques : I.1/-Historique : I.2/- Définition et principe de fonctionnement : La cellule photovoltaïque est un composant électronique, constitué principalement de semi- conducteurs. Les cellules sont confectionnées en grande majorité en silicium, qui permet justement d’exécuter ce rôle de semi-conducteur. Son rôle est de capter la lumière du soleil afin de la transformer en électricité et que l’onduleur va transformer en courant alternatif en vue d’alimenter les équipements de votre logement. Cette énergie peut aussi être stockée dans une batterie. 1839: Edmond Becquerel est le premier scientifique à mettre en évidence les effets électriques dans une pile que produisent les rayons solaires. L’effet photovoltaïque est obtenu grâce à l'absorption des photons qui composent la lumière du soleil par un matériau semi- conducteur constitué d'électrons. 1883: création de la première cellule photovoltaïque, constituée de sélénium et d’or. Son rendement atteint 1%. 1905: Einstein découvre que l’énergie des quantas de lumière est proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique. 1939: La découverte de la jonction p-n par un ingénieur américain, Russel Ohl. Les cellules photovoltaïques Page 4 Plusieurs cellules sont réunies sur le panneau solaire afin de former un module. Les modules sont des entités qui produisent de l’électricité grâce à l’énergie solaire. La cellule elle-même est un empilement de plusieurs couches, dont les principales sont : • La couche active, qui permet d’absorber l’énergie solaire. • Les contacts métalliques avant et arrière, composés d’électrodes positifs et négatifs. Ces électrodes collectent le courant généré. • Des couches supplémentaires permettant d’améliorer l’efficacité de la cellule. Dans un panneau solaire, on trouve entre 36 et 120 cellules, selon la surface de l’installation. Le plus souvent, les cellules photovoltaïques ont une épaisseur de 0,2 millimètres. II/- Types de cellules photovoltaïques : II.1/- 1ère génération : cellules cristallines : Ces cellules, généralement en silicium, ne comprennent qu’une seule jonction p-n. La technique de fabrication de ces cellules, basée sur la production de “wafers” à partir d’un silicium très pure, reste très énergivore et coûteuse. La limite théorique de rendement de ce type de cellule est de ±27%. Les cellules les plus récentes s’approchent chaque année de plus en plus de cette limite. Les cellules photovoltaïques Page 5 Cellule en silicium monocristallin Ces cellules sont constituées de cristaux très purs obtenus par un contrôle strict et progressif du refroidissement du silicium. Avantages : • Très bon rendement Inconvénients : • Coût élevé. • Rendement faible sous éclairement réduit. Cellule en silicium polycristallin Les cellules photovoltaïques Page 6 Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Avantages : • Bon rendement. • Durée de vie importante. • Moins cher que le monocristallin Inconvénients : • Rendement faible sous éclairement réduit. II.2/- 2ème génération : couches minces “thin films” : Dans le cas de “couches minces”, le semi-conducteur est directement déposé par vaporisation sur un matériau support (du verre par exemple). Le silicium amorphe (a-Si) (silicium non cristallisé de couleur gris foncé), le tellurure de cadmium (CdTe), le disélénium de cuivre indium (CIS) font notamment partie de cette génération. Ce sont des cellules de cette technologie que l’on retrouve dans les montres, calculatrices,… dites solaires. Le silicium amorphe Les cellules au silicium amorphe ont un faible rendement mais réagissent très bien même lors d’un faible ensoleillement comme l’intérieur d’une maison. Ces cellules sont apparues en 1976. Elles forment les premières cellules de la deuxième génération avec une épaisseur de 1 µm. Comme le silicium n’est pas cristallisé, les atomes à l’intérieur sont désordonnés et peuvent donc absorber plus de lumière. Les cellules photovoltaïques Page 7 Avantages : • Plus fines, entre 200 et 350 µm. • Moins coûteux que la première génération puisqu’elle consomme moins de matériau semi- conducteur. • Moins polluant à la fabrication. • Fonctionnent avec éclairement faible. Inconvénients : • Rendement global plus faible. • Durée de vie courte (+/- 10 ans). • Diminution de performance avec le temps plus importante. Le tellure de Cadnium, Disélénium de cuivre indium (avec ou sans Gallium) Il existe d’autres types de cellules “couches minces” : tellurure de cadmium (CdTe), le disélénium de cuivre indium (CIS), cuivre indium gallium et sélénium (CIGS),... Le CdTe présente de bonnes performances, mais la toxicité du cadmium reste problématique pour sa production. Cellule à tellurure de cadmium (CdTe) Tellurure de cadmium (CdTe) Les cellules photovoltaïques Page 8 Cellule (CIS) Cellule (CGIS) Avantages : • Fonctionnent avec éclairement faible. • Moins sensible à l’ombrage et aux élévations de température. • Possibilité de créer des panneaux souples. • Panneaux légers. Inconvénients : • Rendement global plus faible en ce qui concerne les cellules commercialisées. • Diminution de performance avec le temps plus importante. • Durée de vie moins grande que les cellules cristallines. II.2/- 3ème génération : Les cellules de 3ème génération sont plus souples, ultra-fines, et donc plus « agiles » que les panneaux en silicium. Ils pourraient demain équiper les toits des trains et des voitures, les stores, ou encore les tentes militaires. Ils peuvent être transparents ou colorés et pourraient être intégrés aux façades des immeubles sous forme de fines couches de plastique. Les objets du quotidien pourraient eux aussi en être dotés, du parasol au sac à dos, en passant par nos vêtements. Les cellules photovoltaïques Page 9 Cellule photovoltaïque organique Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules photovoltaïques dont au moins la couche active est constituée de molécules organiques. Leur développement constitue une tentative de réduction du coût de l'électricité photovoltaïque, sans conteste la principale barrière pour cette technologie. Les cellules photovoltaïques organiques bénéficient en effet du faible coût des semi-conducteurs organiques ainsi que de nombreuses simplifications potentielles dans le processus de fabrication. Avantages : • Une forte absorption optique. • Des techniques de dépose assez simple. • Une technologie potentiellement peu coûteuse. Inconvénients : • Mauvaise résistance aux intempéries et à la chaleur. • Une technologie qui demeure au stade expérimental. Les cellules photovoltaïques Page 10 Cellules photovoltaïques multi jonctions Les cellules multi-jonction sont composées de différentes couches qui permettent de convertir différentes parties du spectre solaire et ainsi d’obtenir les meilleurs rendements de conversion. Avantages : • Rendement inégalé Inconvénients : • Un coût de fabrication très élevé. • Nécessitent l’utilisation de métaux rares. • Une technologie réservée à l’industrie spatiale. Cellule photovoltaïque à concentration Les centrales photovoltaïques à concentration utilisent des lentilles optiques qui concentrent la lumière sur de petites cellules photovoltaïques à haute performance. Pour fonctionner, il est nécessaire de suivre le soleil tout au long de la journée avec un système mécanique pivotant. La concentration est obtenue par un système de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, comme sur les phares d'automobiles. Les cellules photovoltaïques Page 11 Avantages : • Rendement important. Inconvénients : • Il faut que la lumière concentrée soit bien focalisée sur la cellule. • Ils sont plus complexes, plus fragiles, plus délicats à transporter et à monter. III/- Rendement des cellules photovoltaïques : Le rendement d’une cellule photovoltaïque est le rapport entre l’énergie qu’elle capte et l’énergie électrique qu’elle produit. Il dépend de la puissance crête (Wc) de celui-ci, mais également de l’ensoleillement et de la température. En effet, 1 Watt-crête ne produira pas la même énergie dans toutes les régions ! Le rendement d’un panneau solaire photovoltaïque est ainsi plus important dans le Sud que celui d’un panneau situé au Nord. C’est pourquoi estimer le rendement de votre installation est plus qu’important avant de vous lancer dans les travaux ! Type de cellule photovoltaïque Rendement maximal Cellules photovoltaïques en silicium monocristallin 25 % Cellules photovoltaïques en silicium polycristallin 18 % Cellules photovoltaïques en silicium amorphe 8 % Cellules photovoltaïques au tellurure de cadmium 13 % Cellules photovoltaïques CIGS 19 % Cellules photovoltaïques organiques 25 % (en laboratoire) Cellules photovoltaïques multi-jonctions 47 % Cellules photovoltaïques à concentration 50 % Les cellules photovoltaïques Page 12 IV/- Utilisations de l'énergie photovoltaïque : Le but des systèmes photovoltaïques est la production d'électricité qui peut être utilisée dans de multiples applications. Voici quelques exemples: • Production d'électricité à grande échelle. Il existe de grandes centrales électriques connectées directement au réseau électrique qui peuvent générer des centaines de mégawatts. Généralement, ces fermes solaires nécessitent une grande superficie de terrain. • Systèmes intégrés sur toitures et bâtiments : Ces systèmes peuvent être destinés à l'autoconsommation électrique mais peuvent également uploads/s3/ mini-projet-les-cellules-photovoltaiques.pdf