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L’énergie photovoltaïque 1. Historique: La conversion de la lumière en électric

L’énergie photovoltaïque 1. Historique: La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par Antoine Becquerel en 1839, mais il faudra attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique. L’énergie photovoltaïque s’est développée dans les années 50 pour l’équipement de vaisseaux spatiaux et le premier a été lancé dans l’espace en 1958. C’était le seul procédé non-nucléaire d’alimenter des satellites en énergie. Les images satellites reçues par votre téléviseur ne vous parviennent que grâce à l’énergie photovoltaïque. l’énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres. La croissance de l’industrie fut spectaculaire. Depuis le début des années 80, la quantité de modules photovoltaïques expédiés par an (mesurés en MW-Crêtes) a augmenté et le prix des modules (par Watt-Crête) diminuait au fur et à mesure que le nombre de modules fabriqués augmentait. Bien que le prix se soit quelque peu stabilisé, la quantité de modules photovoltaïques expédiés chaque année continue d’augmenter. 2. Quelques dates: 1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque 1875 : Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une découverte anecdotique 1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites. 1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites 1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace. 1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware. 1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 km en Australie. 1995 : Des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés,au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001. 3. Principe de fonctionnement: Cellule photovoltaïque : Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. La tension obtenue est fonction de la lumière incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue. Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi- conducteurs : séléniure de cuivre et d'indium (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, cellule monocristalline pour une épaisseur de l’ordre du millimètre. Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée Le semi-conducteur: Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu'un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu'il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction).C'est l'énergie du "band gap" Eg, en électronvolts (eV). Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d'onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste passera au travers de l'épaisseur de la cellule. Les photons absorbés dont l'énergie est supérieure à l'énergie du band gap vont libérer un électron négatif, laissant un "trou" positif derrière lui. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique E de part et d'autre de la cellule. La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du "dopage" par des impuretés. Deux types de dopage sont possibles : Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres. Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l'insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium. Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d'autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d'ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l'absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque. 4. Les caractéristiques électriques d'une cellule photovoltaïque: Une cellule PV est en fait un composant électronique bien connu que l’on appelle ‘’ DIODE’’, composant qui laisse passer le courant électrique dans un sens (avec une chute de tension de l’ordre de 0,6 volt) et qui bloque son passage dans l’autre sens. Dans le cas de la cellule PV, on s’arrange pour que la surface de la jonction soit la plus grand possible pour collecter le maximum d’énergie solaire. Le schéma électrique simplifié de la cellule PV est le suivant : Fig.1 : schéma électrique d’une cellule PV On reconnait le symbole de la diode (traversé par le courant Id), en parallèle se trouve le générateur de courant ICC qui correspond au flux d’électrons généré par le flux de photons de la lumière (solaire ou autre) au sein de la jonction de la diode. En parallèle à la diode, se trouve la résistance Rsh (Résistance shunt) qui correspond aux pertes directes à travers la jonction et en série vers l’utilisation Vp et Ip , se trouve la résistance Rs (Résistance série) correspondant entre autre aux pertes joules dans les conducteurs. Aux deux bornes de la photopile PV, l’énergie électrique se récupère sous forme d’une tension Vp et d’un courant Ip. L’équation entre Ip et Vp est la suivante : La figure (1) présente le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque: Donc : Ip = ICC − Id − Ish Ou : ICC ou Iph = courant généré variable suivant l’irradiance lumineuse Iph = (Ipn + Ki×∆T)G/Gn ∆T=(T-Tn) Ipn : courant photonique généré dans les conditions standard (A). G et Gn : ensoleillement et l’ensoleillement de réfrence (1000 w/m2). Ki : coefficient de température court-circuit T : température de référence 298(k). Tn : température de la cellule(k). Id : courant entre la diode qui égale : Is = I0 : courant de saturation de la diode qui égale: Bien que : Vt=kT/q k =1.38 ×10-23 J/K (constante de Boltzmann). q =1.6×10-19 C. Vco : tension du circuit ouvert (v). Isc : courant de court-circuit(A). Rs : la résistance série (Ω). V=Vp : la tension au borne de la cellule Le courant de la résistance shunt égale: Rsh : la resistance shunt (A) Le tracé de l’équation Ip = f(Vp) est de la forme suivante : Fig 2 : Caractéristique électrique d’une cellule solaire Sur cette courbe, on peut reconnaître la courbe de la diode (vers le bas du fait du signe – dans l’équation) et décalé vers le haut de la valeur ICC du courant généré par l’irradiance lumineuse. Points caractéristiques sur cette courbe pour une cellule en silicium cristallin : Tension à vide (Ip = 0 A) Voc = 0,6 V (puissance P = 0W) Courant de court-circuit (Vp=0V) = ICC (variable suivant l’irradiance, puissance P=0W) Tension en charge Vpm = 0,5 V au point de fonctionnement ou la puissance est maximum Courant Ipm (variable suivant l’irradiance) au point de fonctionnement ou la puissance est maximum Puissance maximum Pmax = Ipm . Vpm Noter que, en faisant varier Vpm de de 0 à Voc (ou Ip de 0 à ICC), la puissance part de 0W pour monter à un maximum Pmax puis redescendre à 0W Le rendement de conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique d’une cellule photovoltaïque de surface S, de puissance Pmax sous une irradiance lumineuse Irrad est le suivant : Rcell = Puissance électrique/puissance thermique Donc : On défini aussi un facteur de forme (ou fill factor), noté FF, représentant la qualité d’une cellule photovoltaïque : Les facteurs de forme typiques pour différentes technologies photovoltaïques sont les suivant : Technologie silicium cristallin (m-Si) : ff = 0,83 Technologie silicium amorphe a-Si : ff = 0,7 Technologie Tellure de Cadmium (CdTe) : ff = 0,76 Technologie Cuivre Indium Sélénium (CIS) : ff = 0,78 Suivant les technologies de cellules photovoltaïques, le tracé de l’équation Ip uploads/Litterature/ l-x27-energie-photovoltaique.pdf