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PRINCIPE PHYSIQUE du SOLAIRE PV / TECHNOLOGIES / FABRICATION / COÛT et MARCHE 1

PRINCIPE PHYSIQUE du SOLAIRE PV / TECHNOLOGIES / FABRICATION / COÛT et MARCHE 1_L’effet photovoltaïque 2_Les caractéristiques / modélisation 3_Les réponses spectrales 4_L’évolution des caractéristiques 5_Les technologies 6_La matière première 6_Le procédé de fabrication 6_L’associations de cellules 7_ Le rajout de diodes « by-pass » 8_ L’analyse du cycle de vie 9_ Les coûts - -généralités 10_La puissance installée en France 11 L û F « ENERGIE SOLAIRE » Solaire photovoltaïque – Principe physique 1_L’effet photovoltaïque - Principe de fonctionnement d’une photo-diode : - absorption du rayonnement solaire dans le matériau - transfert de l’énergie des photons aux charges électriques - champ électrique au niveau de la jonction PN et collecte des charges 3 phases : Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel 1_L’effet photovoltaïque Matériau semi conducteur de faible épaisseur Lumière incidente sur le matériau Lumière réfléchie (réflexion) Lumière absorbée (absorption) Lumière traversante (transmission) Si le matériau est semi conducteur, alors une partie de l’énergie lumineuse absorbée est convertie en électricité Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel 1_L’effet photovoltaïque - les photons transmettent leur énergie aux électrons pour se libérer de l’atome (circulation des électrons par passage de la bande de valence à celle de conduction). L’énergie d’un photon : E = (h.C)/λ = 1,24/ λ est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde. - l’énergie minimale à fournir pour libérer les électrons du matériaux (Eg : gap optique) est moins importante pour le silicium cristallin que pour le silicium amorphe : - Si-cristallin : Eg = 1,1eV. Il faut un photon de λ = 1,13um (proche IR) - Si-amorphe : Eg = 1,77eV. Il faut un photon de λ = 0,7um (rouge) Scan figure p43 Labouret : Portion du spectre solaire exploitables pour le Si-cristallin Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel 1_L’effet photovoltaïque - l’extraction des électrons est réalisée au sein d’une jonction PN pour éviter la recombinaison par création d’un champ électrique dans le matériau entraînant les charges positives d’un côté et les charges négatives de l’autre. - on dope le matériau semiconducteur : - côté P : surplus de trous (phosphore) - côté N : surplus d’électrons (bore) et on obtient ainsi une « photo-diode ». d’où création d’un champ électrique au niveau de la jonction… Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel 1_L’effet photovoltaïque - de la diode à la photodiode : - modèle équivalent de la cellule solaire : Jonction p-n dans l’obscurité (diode classique) Id U Jonction p-n sous illumination Icc Uco Décalage de Icc ) 1 (    Ut U e Is Iph I Sans Rs ni Rp : Rp Rs I U e Is Ip I kT Rs I U q . 1 ) . (             Avec Rs et Rp : Courant dans la diode (Id) Photocourant dépendant de l’ensoleillement (Iph) Q4 : quadrant générateur Le courant inverse Iph et la tension Ud sont comptés positivement (convention générateur) Convention diode récepteur : E Rs : résistance série des contacts et connexions Rp : résistance de fuite Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Hespul 2_caractéristiques - caractéristiques I=f(U) et P=f(I) d’un panneau cristallin de 50Wc. courant de court-circuit (Icc) tension à vide (Uco) point de puissance maximale (PPM) Obtenue à partir de l’expression de la puissance fournie : P=V.I Im Um Pm = Pc Conditions STC Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel 3_réponse spectrale Unisolar© - les fabricants cherchent à renforcer l’absorption des différentes couleurs Dès les premiers nm de matériau - ex : empilement des cellules à gap optique différent pour du silicium amorphe : Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel 4_Evolution des caractéristiques - effet de l’intensité du rayonnement solaire La tension n’est pas trop dégradée quand la lumière baisse (surtout pour monocristallin et amorphe (Cf. Rp du modèle)) I = k.Φ Cf. manip avec cellule Solaire photovoltaïque – Principe physique D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel - effet de la température : Forte baisse de tension avec la température (surtout pour cristallin) -2 à 2,5mV / °C (-0,41% ) 4_Evolution des caractéristiques Légère hausse du courant : si T , gap , absorption  et I  Cf. manip avec cellule Solaire photovoltaïque – Technologies 5_Les technologies - structure atomique ordonnée (cristallisée): - silicium poly-cristallin - silicium monocristallin - structure atomique désordonnée : - couches minces silicium amorphe - silicium en ruban (couche mince) - couches minces poly cristallines - CdTe - Tellurure de Cadmium - CIS - Cuivre Indium Sélénium solides : 0,15<épaisseur< 0,4mm grains Cf. observation cellules et panneaux épaisseur<μm Solaire photovoltaïque – Technologies d’après EdF R&D 5_Les technologies : AV/INC Avantages Inconvénients Silicium Monocristallin • Technologie maîtrisée • Hauts rendements (12-16%) • 85% de parts de marché • Le processus de fabrication a déjà bénéficié d’économies d’échelle • Matière première: - chère - pénurie - perte CIS • Potentiel de baisse des coûts pour une production de masse • Rendement théorique élevé • Possibilité d’adaptation sur substrat souple ou rigide CdTe • Toxicité du Cadmium • Rendements plus faibles Silicium Amorphe • Technologie maîtrisée • Réduction des coûts de fabrication (utilise peu de matière première) • Rendements stables à ensoleillement diffus • Dépôts aisés sur de grandes surfaces en film • Substrat souple • Stabilité • Rendements plus faibles • Optimisation encore possible (triple jonction) Silicium Polycristallin Silicium massif Couches minces •Idem CIS •stade laboratoire • extrapolation en grande surface • Procédé complexe (vide) Colorants Cellules organiques • Rupture potentielle • Baisse des coûts • Substrat souple ou rigide • Coloré • Non mature • Problème d’étanchéité du gel • Durée de vie • Extrapolation grande surface Solaire photovoltaïque – Technologies d’après Jean-Claude Muller, CNRS-ULP, (JEEA 2007) 5_Les technologies : perspectives Cf. article J-C Muller : « améliorations attendues avec les nouvelles technologies PV : rendements, coûts et cycle de vie », JEEA 2007, ENS Ker Lann. Solaire photovoltaïque – Fabrication 6_La matière première - le silicium : deuxième élément le plus répandu dans la croûte terrestre. On le trouve sous forme oxydée (sable, silice, quartz). - il est utilisé à différents degrés de qualité : - silicium de qualité métallurgique : pureté de 99% (2N) - silicium de qualité électronique : pureté de 99,9999% (6N) - silicium de qualité solaire : pureté de 99,99 % (4N) Solaire photovoltaïque – Fabrication D’après Hespul - processus de fabrication des modules (Si-cristallin) Matière première Silicium métallurgique Croissance des cristaux / Moulage Fabrication des lingots Sciage en wafers (pertes) Nettoyage Polissage Diffusion des dopants Sérigraphie des contacts Fabrication et tri des cellules Assemblage en modules Encapsulation Fusion du quartz et du carbone dans four à arc 6_Le procédé Croissance d’un lingot Moulage lingot constitué de cristaux enchevêtrés Solaire photovoltaïque – Fabrication D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel + Hespul - de la cellule au champ PV cellule module panneaux = n.modules champ Cellules 4 pouces 100 mm x 100 mm 1 – 1,5 Wc Cellules 5 pouces 125 mm x 125 mm 2 – 2,5 Wc Cellules 6 pouces 150 mm x 150 mm 2,5 – 3,5 Wc 6_associations de cellules Variété des produits sur le marché Solaire photovoltaïque – Fabrication D’après Labouret – Villoz, Energie solaire PV : guide du professionnel + Hespul - problème des points chauds (« hots spots ») Si une cellule vient à être masquée, le courant total s’effondre et la cellule reçoit en tension inverse la somme de toutes les tensions. Elle chauffe et se détériore. Cette tension inverse peut dépasser la tension de claquage (notamment sur panneau 24V avec régulateur parallèle (« shunt ») qui court-circuite le panneau en cas de batterie pleine). Solution : diode (« by-pass ») en // par groupe de cellules (ex : 18 cellules). La tension inverse appliquée à la celllule est réduite. 7_rajout de diodes « by-pass » Solaire photovoltaïque – Fabrication D’après B. Multon, ENS Cachan - problème des points chauds (« hots spots ») 7_rajout de diodes « by-pass » Solaire photovoltaïque – Fabrication D’après JRC ies (Communauté européenne) 8_Analyse du cycle de vie - Energy payback time (in years) of present PV systems - CO2 emissions for grid-connected roof-top PV systems [g/kWh] Solaire photovoltaïque – Fabrication D’après JRC ies (Communauté européenne) 8_Analyse du cycle de vie 9_Les coûts - généralités Solaire photovoltaïque – Coût et Marché D’après Bernard Multon, ENS Cachan Solaire photovoltaïque – Coût et Marché D’après RWE Energie AG and RSS GmbH Coût du kWh PV (raccordé avec équipement et électronique de puissance) Prix Public du kWh Coût du kWh de base Source: RWE Energie AG and RSS GmbH 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1990 2000 2010 2020 2030 uploads/Sante/ solaire-photovoltaque.pdf