Support de solaire photovoltaïque
Pr C. MESSAOUDI
Découvert en 1839 par le physicien Français Alexandre Edmond Becquerel, L ’ effet photovoltaïque est le processus physique responsable de la conversion directe de la lumière en électricité grâce à l’absorption de photons par un matériau semi-conducteur et leur conversion en électricité, d’où le terme photovoltaïque: correspondant à photon-voltage.
Le préfixe Photo vient du grec « phos » qui signifie lumière. « Volt » vient du patronyme d’Alessandro Volta (1745-1827), physicien qui a contribué aux recherches sur l ’électricité. Photovoltaïque (PV) signifie donc littéralement électricité lumineuse.
En général, lorsqu’un photon est absorbé par un matériau, si son énergie est supérieure à la valeur du gap Eg du matériau, il va exciter un électron et l’éjecter alors d’un niveau d’énergie inférieur, vers un niveau d’énergie plus élevé, donnant naissance ainsi à une paire électron-trou, de même énergie électrique (figure d’en haut). Le plus naturellement possible le matériau excité tend à retrouver son équilibre (désexcitation) par le retour de l’électron à son niveau de départ suivi d’un dégagement d’une énergie à caractère lumineuse ou électrique ou thermique dissipée dans le matériau.
A chaque photon, on associe une énergie :
La cellule solaire n'est sensible que dans un domaine de longueurs d’onde particulier et seul un matériau semi-conducteur dispose de la structure de bande nécessaire à la génération, à partir du rayonnement solaire, de paires électron/trou utilisables.
En effet, dans un métal, tous les niveaux supérieurs au niveau de Fermi sont autorisés et toutes les longueurs d ’onde sont donc susceptibles d’être absorbées. Cependant, les paires électron/trou générées se recombinent quasi-instantanément (10-12 à 10-13 s), ce qui ne laisse pas la possibilité de les exploiter. Un matériau isolant possède un gap d’au moins 8eV. Le photon incident, pour interagir avec un électron, devra donc fournir une énergie supérieure à 8 eV, ce qui correspond à des λ<0,15 μm (UV), domaine qui ne couvre pas le rayonnement solaire.
Dans un semi-conducteur, la structure des bandes de conduction et de valence définissent un gap plus faible que dans le cas des isolants : de 0,3 à 2 ou 3 eV.
En utilisant un matériau à caractère semiconducteur de type jonction PN on est parvenu à séparé la paire électron-trou grâce au champs interne de la jonction PN. Séparées, sous l’effet du champ électrique, les deux charges de signe opposées sont par la suite récupérées séparément et canalisées dans une direction particulière par un circuit extérieur fournissant ainsi un courant électrique.
Une cellule photovoltaïque est composée de deux parties semiconductrices, une partie présentant un excès d’électrons alors que l’autre présente un déficit en électrons. Ces deux partie sont dites respectivement dopée N et dopée P. Lors de la mise en contact de ces deux, les électrons excédentaires dans la région type N très voisine de la région type P, vont automatiquement tendre à occuper les trous excédentaire de la région P impliquant en même temps un transfert inverse des trous vers la région type N. On assiste alors à la formation d’une zone de charge à potentiel qu’on nomme zone de charge d’espace (ZCE) et formation d’un champ électrique interne..
Sous éclairement, les photons incidents vont provoquer la génération de paires électron-trou dont le comportement dépend de la zone d’absorption :
- Dans la zone de charge d’espace (ZCE) engendrée par la jonction p-n, les paires électron-trou créées sont dissociées sous l’effet du champ électrique interne. Les électrons sont alors propulsés vers la zone type N et les trous vers la zone type P donnant naissance à photo-courant de génération.
- Dans les zones éloignées (P et N), les porteurs minoritaires générés (trous dans zone N et électrons dans la zone P) vont diffuser vers la ZCE. S’ils atteignent cette dernière avant de se recombiner, ils sont injectés dans la zone N pour les électrons et dans la zone P pour les trous et deviennent majoritaires. Un photo-courant de diffusion est alors créé.
.
Ces deux courants à savoir, le photo-courant de génération crée dans la zone de charge d’espace (ZCE) et le photo-courant de diffusion crée dans les zones neutres N et P, s’ajoutent pour donner naissance à un photo-courant de porteurs minoritaires noté Iph de la cellule. Ce photo-courant Iph est alors collecté par les contacts avant et arrière de la cellule. Il est proportionnel à l’intensité lumineuse.
En pratique, sous éclairement la cellule photovoltaïque est chargée par une résistance Rch où est dissipée la puissance utile fournie. Le courant délivré sur cette charge par une cellule photovoltaïque éclairée s'écrit alors :
Soit :
Ainsi, dans une cellule photovoltaïque deux courants s'opposent : le
courant d'éclairement et le courant d'obscurité.
On peut déduire de l’expression précédente, représentant le courant de la cellule, le schéma électrique équivalent qu’on représente par (cas idéal):
Dans la pratique il est impératif de tenir compte des phénomènes dissipatifs au niveau de la cellule dus à ces différents constituants d’où le schémas électrique suivant relatif au modèle à une diode:
Quels sont, en résumé, les phénomènes physiques qu’il faut assurer pour avoir un effet photovoltaïque ?
-Une absorption maximale de photons.
-Une création de paire électrons-trous engendrant un photo-courant de génération et de diffusion.
Comment peut-on concevoir alors une cellule solaire ?
Une cellule solaire doit donc être constituée de :
Comportement récepteur
Comportement générateur
La courbe caractéristique d'une cellule photovoltaïque
correspond à la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension à ces bornes depuis le court-circuit Icc (tension nulle correspondant au courant maximum produit) jusqu'au circuit ouvert Vco (courant nul pour une tension maximale aux bornes de la cellule). Dans le cas des cellules photovoltaïques au silicium commercialisées, la tension VCO est de l'ordre de 0,4 à 0,6 V et le courant ICC est de l'ordre de 12 mA/cm2 pour des conditions de test standard (STC) de laboratoire à savoir : rayonnement incident normal sur la cellule PV de 1000 W/m², et une température de cellule à +25 °C.
la puissance maximum mesurée dans les conditions STC (Standard Test Conditions), c'est-à-dire sous un spectre AM1.5 , une température de 25°C, et un éclairement de 1000 W/m².
Icc
Vpv
Ipv
5
10
15
20 Vc0
Zone I : source de courant
Zone II : source de tension
Zone III : source de courant et tension
Avec : Pi = Eclairement énergétique en W.m-2 S = Surface de la cellule en m2
On définit le facteur de forme ou facteur de remplissage (Fill Factor) comme étant l’indice du degré d'idéalité de la courbe caractéristique, soit le rapport :
On tend vers une cellule idéale lorsque le Facteur de Forme de cette dernière tend vers 1. Ce facteur est de l’ordre de 70% soit 0,7 pour une cellule de fabrication industrielle.
La formulation la plus classique du rendement de conversion pour une cellule photovoltaïque représente sa capacité à transformer l’énergie des photons qu’elle reçoit en une énergie électrique. C’est donc le rapport entre l’énergie ou la puissance fournie et celle reçue :
Dans le but de pouvoir procéder à une comparaison concernant le rendement des divers types de cellules photovoltaïques existantes, une valeur normalisée de ce rendement est établie. Dans ce sens, les cellules solaires sont donc testées par les constructeurs sous un spectre lumineux artificiel correspondant à un spectre solaire typique AM1.5 et sous une température fixe de 25°C. La puissance moyenne totale reçue lors des tests par les cellules assemblées en module PV est de 1000W/m².
Sous obscurité, le courant dans la cellule photovoltaïque à type jonction p-n est appelé courant d’obscurité. Il est de la forme :
Avec : q = charge élémentaire = 1.6.10-19C
V = tension aux bornes de la jonction (V)
k = constante de Boltzmann = 1.38.10-23 J.K-1
T = température (K)
Is = courant de saturation inverse de la jonction p-n
n = coefficient d’idéalité de la jonction
Ce courant d’obscurité n’est autre que le courant de diode Id sous l’effet de la polarisation de la jonction.
Dans le schéma électrique précédent, la résistance Rs série représente la contribution des résistances des contacts face avant et arrière de la jonction. Donc Rs modélise les pertes ohmiques dans la cellule. Sa valeur doit être la plus faible possible. La résistance
Rsh
ou Rp shunt ou parallèle rend compte des
courants de fuite dus à la diode et aux effets de
bords et de surface de la jonction. Dons Rsh modélise les courants de fuite dans cette même cellule. Sa valeur doit donc être maximisée. Ce circuit modélisé peut être utilisé aussi bien pour une cellule élémentaire, que pour un module ou un panneau constitué de plusieurs modules.
Dans le cas d’un module à Ns cellules le courant débité est régi par l’équation donnée par:
Où: Iph , I0 et désignent respectivement le photo- courant, le courant de saturation inverse de la diode et la tension thermique, avec: n le facteur d’idéalité de la diode, q la charge de l ’électron, k la constante de Boltzman, T la température de la cellule qui varie en fonction de l’éclairement et de la température ambiante, selon la relation linéaire :
http://sites-final.uclouvain.be/e- lee/FR/realisations/EnergiesRenouvelables/Fil iereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Cellule/ Temperature.htm
D’après la caractéristique courant-tension donnée par :
On définit deux points importants donnés par:
-Cas où V = 0 on a Icc = Iph avec Icc courant du court-circuit
-Cas où I = 0 on a Vco = (nkT/q). Ln(1+Iph/Is ) avec Vco tension du circuit-ouvet.
Ou encore pour Icc = Is on a Vco = (nkT/q). Ln(Iph/Is )
Il est important de constaté que la tension varie avec le log de l’éclairement.
D ’après la figure précédente on constate que l’influence de l’éclairement est considérable sur les performances d’une cellule photovoltaïque. En effet, le courant de court-circuit (Icc) croît proportionnellement avec l’éclairement, alors que la tension à vide (Vco) varie très peu.
Conséquence, plus la couverture nuageuse est importante plus l’intensité du courant généré est faible.
(Voir TP)
La température,
elle aussi a une influence
considérable sur le comportement de la cellule et donc sur son rendement. Cette influence se traduit principalement par une diminution importante de la
Vco
tension en circuit ouvert et une très légère augmentation du courant.
Suivant les modèles, ce comportement induit, par degré, une perte de 0.5 % du rendement par rapport au rendement maximum de la cellule. On comprendra donc tout l’intérêt d’une ventilation correcte à l’arrière des panneaux !
(Voir TP)
Les coefficients de température du module donnés dans toute fiche technique d'un module photovoltaïque, permettent de calculer le courant à vide Icc, la tension à vide Vco et la puissance maximale Pmax de ce module pour n'importe quelle température.
La variation de la tension à vide Voc d'un module PV par rapport aux conditions standards Voc,stc, en fonction de la température d'utilisation des cellules Tcell, est exprimée par la formule suivante (Guide CEI 82-25, II éd.) :
où :
β est le coefficient de variation de la tension en fonction de la température et dépend du type de module PV (généralement -2.2
mV/°C/cellule pour les modules en silicone cristallin et environ -1.5 à -1.8 mV/°C/cellule pour les modules à couche mince) ;Ns est le nombre de cellules montées en série dans le module Par conséquent, pour éviter une réduction excessive des performances, il convient de contrôler la température de service en tentant de fournir une bonne ventilation aux panneaux en vue de limiter leur variation de température. De cette manière, il est possible de réduire la perte d'énergie due à la variation de température (par rapport à la température de 25°C dans des conditions standards) à une valeur de l'ordre de 7%.
.
Permet de qualifier la qualité de la jonction et d ’extraire les paramètres de la diode. Paramètres extraits : Résistances série (inverse de la pente de la courbe à forte tension) et parallèle (inverse de la pente de la courbe autour de l ’origine), facteurs d ’ idéalité, courants de saturation. Cette mesure se fait avec quatre contacts afin délimiter les effets parasites des résistances des fils de connexion.