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Photovoltaïque: Électricité solaire et cellules solaires en théorie et en pratique
- May 09, 2017 -

Photovoltaïque: Électricité solaire et cellules solaires en théorie et en pratique

Le mot photovoltaïque est une combinaison du mot grec pour Light et du nom du physicien Allesandro Volta. Il identifie la conversion directe de la lumière du soleil en énergie au moyen de cellules solaires. Le processus de conversion est basé sur l'effet photoélectrique découvert par Alexander Bequerel en 1839. L'effet photoélectrique décrit la libération de porteurs de charge positifs et négatifs à l'état solide lorsque la lumière frappe sa surface.

Comment fonctionne une cellule solaire?

Les cellules solaires sont composées de divers matériaux semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont des matériaux qui deviennent électriquement conducteurs lorsqu'ils sont alimentés en lumière ou en chaleur, mais qui fonctionnent comme des isolants à basse température.

Plus de 95% de toutes les cellules solaires produites dans le monde sont composées du matériau semi-conducteur Silicon (Si). En tant que deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, le silicium présente l'avantage d'être disponible en quantités suffisantes et de traiter le matériau sans surcharger l'environnement. Pour produire une cellule solaire, le semi-conducteur est contaminé ou "dopé". "Dopage" est l'introduction intentionnelle d'éléments chimiques, avec lesquels on peut obtenir un surplus soit de porteurs de charge positive (couche semiconductrice conductrice p) soit de porteurs négatifs (couche semiconductrice conductrice n) du matériau semiconducteur. Si deux couches de semiconducteur différemment contaminées sont combinées, une jonction pn se produit alors sur la limite des couches.

modèle d'une cellule solaire cristalline

À cette jonction, un champ électrique intérieur est construit qui conduit à la séparation des porteurs de charge qui sont libérés par la lumière. Grâce à des contacts métalliques, une charge électrique peut être prélevée. Si le circuit extérieur est fermé, c'est-à-dire qu'un consommateur est connecté, le courant continu circule.

Les cellules de silicium mesurent environ 10 cm sur 10 cm (récemment aussi 15 cm sur 15 cm). Un film anti-réflexion transparent protège la cellule et diminue la perte de réflexion sur la surface cellulaire.

Caractéristiques d'une cellule solaire

ligne courant-tension d'une cellule solaire-si

La tension utilisable des cellules solaires dépend du matériau semi-conducteur. Dans le silicium, elle est d'environ 0,5 V. La tension aux bornes dépend faiblement du rayonnement lumineux, tandis que l'intensité du courant augmente avec une luminosité plus élevée. Une cellule de silicium de 100 cm², par exemple, atteint une intensité de courant maximale d'environ 2 A lorsqu'elle est rayonnée de 1000 W / m².

La sortie (produit d'électricité et de tension) d'une cellule solaire dépend de la température. Des températures cellulaires plus élevées conduisent à une production plus faible, et donc à une efficacité plus faible. Le niveau d'efficacité indique combien de la quantité de lumière rayonnée est convertie en énergie électrique utilisable.

Différents types de cellules

On peut distinguer trois types de cellules selon le type de cristal: monocristallin, polycristallin et amorphe. Pour produire une cellule de silicium monocristallin, un matériau semiconducteur absolument pur est nécessaire. Les tiges monocristallines sont extraites du silicium fondu puis sciées en plaques minces. Ce processus de production garantit un niveau d'efficacité relativement élevé.
La production de cellules polycristallines est plus rentable. Dans ce processus, le silicium liquide est versé dans des blocs qui sont ensuite sciés en plaques. Pendant la solidification du matériau, des structures cristallines de tailles variables sont formées, aux bords desquels émergent des défauts. En raison de ce défaut de cristal, la cellule solaire est moins efficace.
Si un film de silicium est déposé sur du verre ou un autre matériau de substrat, il s'agit d'une cellule dite à couche mince ou amorphe. L'épaisseur de la couche est inférieure à 1 μm (épaisseur d'un cheveu humain: 50-100 μm), de sorte que les coûts de production sont plus faibles en raison des faibles coûts de matériaux. Cependant, l'efficacité des cellules amorphes est beaucoup plus faible que celle des deux autres types de cellules. Pour cette raison, ils sont principalement utilisés dans les équipements de faible puissance (montres, calculatrices de poche) ou comme éléments de façade.

Matériel

Niveau d'efficacité en% Lab

Niveau d'efficacité en% Production

Silicium monocristallin

environ. 24

14 à 17

Silicium polycristallin

environ. 18

13 to15

Silicium amorphe

environ. 13

5 to7



De la cellule au module

Afin de rendre les tensions et les sorties appropriées disponibles pour différentes applications, les cellules solaires individuelles sont interconnectées pour former des unités plus grandes. Les cellules connectées en série ont une tension plus élevée, tandis que celles connectées en parallèle produisent plus de courant électrique. Les cellules solaires interconnectées sont généralement encastrées dans un Ethyl-Vinyl-Acetate transparent, équipé d'un cadre en aluminium ou en acier inoxydable et recouvert de verre transparent sur le devant.

Les puissances nominales typiques de tels modules solaires sont comprises entre 10 Wpeak et 100 Wpeak. Les données caractéristiques se réfèrent aux conditions d'essai standard de rayonnement solaire de 1000 W / m² à une température de cellule de 25 ° Celsius. La garantie standard du fabricant de dix ans ou plus est assez longue et montre les normes de qualité élevées et la durée de vie des produits d'aujourd'hui.

Limites naturelles d'efficacité

Niveaux maximaux théoriques d'efficacité des différentes cellules solaires aux conditions standard

Outre l'optimisation des processus de production, des efforts sont également déployés pour augmenter le niveau d'efficacité afin de réduire les coûts des cellules solaires. Cependant, différents mécanismes de pertes fixent des limites à ces plans. Fondamentalement, les différents matériaux semi-conducteurs ou combinaisons ne conviennent que pour des plages spectrales spécifiques. Par conséquent, une partie spécifique de l'énergie rayonnante ne peut pas être utilisée, car les quanta de lumière (photons) n'ont pas assez d'énergie pour "activer" les porteurs de charge. D'autre part, une certaine quantité d'énergie photonique excédentaire est transformée en chaleur plutôt qu'en énergie électrique. En plus de cela, il existe des pertes optiques, telles que l'ombrage de la surface de la cellule par contact avec la surface du verre ou la réflexion des rayons entrants sur la surface de la cellule. D'autres mécanismes de pertes sont les pertes de résistance électrique dans le semi-conducteur et le câble de connexion. L'influence perturbatrice de la contamination des matériaux, des effets de surface et des défauts cristallins est également importante.
Les mécanismes de perte unique (les photons avec trop peu d'énergie ne sont pas absorbés, l'énergie photonique excédentaire est transformée en chaleur) ne peuvent pas être améliorés en raison des limites physiques inhérentes imposées par les matériaux eux-mêmes. Ceci conduit à un niveau d'efficacité maximal théorique, soit environ 28% pour le silicium cristallin.