Le Panneau Photovoltaïque
La Cellule Solaire
La cellule solaire est l’élément de base du système de production d’énergie photovoltaïque. Elle a généralement une taille de quelques centimètres carrés et produit environ 4.8 W de puissance. Pour obtenir une puissance élevée, de nombreuses cellules de ce type sont connectées en série et en parallèle sur un panneau (module) de plusieurs mètres carrés.
Modèle mathématique d’une cellule solaire
Cellule idéale
Le schéma équivalant le plus simple de la cellule photovoltaïque à jonction PN idéale comprend une source de courant Iph qui modélise le courant photoélectrique, associée à une diode en parallèle qui modélise la jonction P-N dont la polarisation détermine la tension.
Figure I.9 : Schéma équivalent d’une cellule idéale.
Cellule réelle
Un schéma équivalant plus complet de la cellule solaire photovoltaïque est illustré sur la Figure I.10. Les résistances série Rs et parallèle Rp qui limitent la performance de la cellule, sont ajoutées au modèle pour tenir compte des phénomènes dissipatifs au niveau de la cellule (les pertes internes)
RS : Résistance série, due essentiellement aux pertes par effets Joule à travers les grilles de collectes et la résistance propre des semi-conducteurs, ainsi qu’aux mauvais contactes (Semi- conducteur, électrodes).
RP : Résistance parallèle, dite « Shunt », provient des pertes par recombinaisons dues essentiellement à l‘épaisseur, aux effets de surface, ainsi qu’à la non idéalité de la jonction. Rs et Rp modifient le courant de court-circuit de la cellule en photo- courant Iph, on aura donc le montage électrique équivalent suivant :
Figure I.10 : Schéma équivalent d’une cellule réelle.
Appliquons la loi de Kirchhoff aux nœuds A, B :
𝐼 = 𝐼𝑃ℎ − 𝐼𝐷 − 𝐼𝑅𝑝 (1)
𝐼𝑝ℎ : Photo courant indépendant de V (ou de RS), il est proportionnel au flux incident (taux de génération recombinaison) et aux longueurs de diffusion des porteurs, ainsi il est linéairement dépendant du rayonnement solaire et est également influencée par la température selon l’équation suivante :
𝐼 = [ 𝐼 + 𝐾 (𝑇 − 𝑇 ) ]. . 𝐺 (2)
𝑝ℎ 𝑆𝐶𝑟 𝑖 𝑘 𝑟𝑒𝑓 1000
𝐾𝑖 : est le coefficient de courant de court-circuit /température
𝑇𝑘, 𝑇𝑟𝑒𝑓 : sont, respectivement la température réelle et de référence en K
G : est l’irradiation sur la surface de la cellule, (1000W/m2 est l’irradiation nominale),
𝐼𝑅𝑝 : Courant traversant Rp, si Rp est très grande, il devient très faible est indépendant de la tension, et il est donné par :
𝐼 = 𝑉𝐷 = 𝑉+𝑅𝑆.𝐼 (3)
𝑅𝑝 𝑅𝑃 𝑅𝑃
𝐼𝑫 : Courant diode, il est de même ordre de grandeur que IRp pour les faibles tensions et il devient très grand au voisinage de Voc, il s’écrit sous la forme :
𝚐.𝑉
𝐼𝐷 = 𝐼0 (𝑒𝐴.𝐾.𝑇 − 1) (4)
𝐼0 : Courant de saturation inverse de la diode, et il est donné par :
𝚐.𝐸𝑔0
𝑇 3 𝐴.𝐾.( 1 1
𝐼0 = 𝐼𝑅𝑠. [ ]. . 𝑒 𝑇𝑟 𝑇 (5)
𝑇𝑟
𝐼𝑅𝑠 : Courant de saturation, et il est donné par :
𝐼𝑅𝑠 = 𝐼𝑆𝐶𝑟 (6)
𝚐.𝑉𝑜𝑐
𝑒𝐴.𝐾.𝑇.𝑁𝑠−1
Remplaçons dans l’équation (1) les équations (3) et (4), l’équation caractéristique deviendra :
𝑰 = 𝑰𝑷𝒉 − 𝑰𝟎 (𝒆𝑨.𝑲.𝑻 − 𝟏) − 𝑽+𝑹𝒔.𝑰 (7)
𝑹𝒑
A : est le facteur d’idéalité de la cellule qui dépend des mécanismes de recombinaison dans la zone de Charge d’espace
q : charge de l’électron (1.6025 x 10~19c)
T : température de la cellule (°K)
K : constante de Boltzmann (1.38 10-23 J/K) 8.
Interconnexions des cellules
Dans un module PV, un certain nombre de cellules solaires individuelles sont connectées électriquement pour augmenter leur puissance de sortie. Dans les cellules solaires cristallines (c- Si) à base de plaquettes, les barres omnibus présentés sur la partie supérieure de la cellule (Figure I.11) sont connectées directement au contact arrière de la cellule adjacente, au moyen de rubans d’interconnexion de cellules, généralement des rubans de cuivre étamé (ou argenté). Ceci est illustré à la Figure I.12 pour le cas de cellules à 2 bus bars (2BB) 9.
Figure I.11 : Cellules solaires c-Si (en haut à gauche) avec deux (2BB), trois (3BB), cinq (5BB) bus bars et cellule sans barres (en bas à droite). Les doigts collecteurs de courant sont placés perpendiculairement aux bus bars.
Figure I.12 : Croquis simplifié d’un module solaire avec des cellules à (2BB). Les rubans d’interconnexion des cellules et les interconnexions de chaînes sont représentés. Les jeux de barres sont cachés sous les rubans
Connexions en série et en parallèle des cellules
Si nous connectons les cellules solaires en série (connexion en série), les tensions s’additionnent, tandis que le courant global correspond au courant d’une seule cellule solaire. Au contraire, dans une connexion parallèle, les courants s’additionnent et la tension globale est égale à la tension d’une seule cellule solaire. La Figure I.13 illustre un exemple pour la relation entre les caractéristiques de courant et de tension d’une seule cellule solaire et celle de trois cellules solaires connectées une fois en série et, l’autre fois, en parallèle 9.
Figure I.13 : Le rapport entre le courant et la tension d’une seule cellule solaire et celui de trois cellules solaires connectées en série et en parallèle.
Diode By-Pass
Le schéma électrique d’un module solaire contient généralement des diodes de dérivation, qui sont utilisées pour minimiser les effets de l’ombrage partiel sur les cellules. Si une seule cellule (ou un groupe de cellules) est ombragée, elle devient en polarisation inverse, ne générant plus de puissance, mais devenant un puits de puissance qui dissipe la puissance générée par les autres cellules de la chaîne.
Le même effet se produira si l’une des cellules est partiellement ou totalement endommagée. Les effets d’un point chaud peuvent être évités grâce à l’utilisation d’une diode de dérivation connectée en parallèle avec une polarité opposée à celle de la cellule solaire, comme la Figure I.14 l’illustre. Dans des conditions de fonctionnement normales, chaque cellule solaire est polarisée dans le sens direct. La diode de dérivation est alors polarisée en inverse et ne transporte aucun courant 9.
Figure I.14 : Diode By-Pass.
Une chaîne de six cellules solaires connectées en court-circuit avec une ombragée.
Diodes de dérivation placées en parallèle à chaque cellule de la chaîne.
Technologies des Panneaux Photovoltaïques
Pour comparer les différentes technologies de production d’électricité, la mesure la plus importante est le coût énergétique par kWh fourni. Dans le cas de l’énergie photovoltaïque, ce coût dépend principalement de deux paramètres : le rendement de conversion de l’énergie photovoltaïque et le coût d’investissement par watt de capacité. Ensemble, ces deux paramètres indiquent la compétitivité économique de l’électricité PV 10.
Les différentes technologies sont classées dans trois catégories
Cellules solaires de première génération
Cellule à silicium monocristallin
Le silicium monocristallin est le matériau de cellule le plus largement disponible. Son rendement de conversion énergétique est compris entre 15 et 20 %. Le processus de fabrication est lent et consomme beaucoup d’énergie, ce qui entraîne un coût élevé des matières premières 10.
Cellule à silicium polycristallin et semi-cristallin
Il s’agit d’un procédé relativement rapide et peu coûteux pour fabriquer des cellules cristallines. Au lieu de dessiner des monocristaux en utilisant des graines, le silicium fondu est coulé en lingots. Au cours de ce processus, il forme des cristaux multiples. Le rendement de conversion et le coût sont plus faibles, ce qui donne un faible coût par watt de puissance 10.
Cellule à silicium amorphe
Dans cette technologie, une couche de silicium amorphe de 2μm d’épaisseur est déposée sur un rouleau en verre ou en acier inoxydable, généralement de 2 000 pieds de long et de 13 pouces de large. Par rapport au silicium cristallin cette technologie n’utilise qu’environ 1 % du matériau. Son rendement est d’environ moitié de celui de la technologie actuelle du silicium cristallin, mais le coût par watt est nettement inférieur 10.
Cellules solaires de deuxième génération
Cellule à couche mince
Il s’agit de nouveaux types de cellules photovoltaïques qui ont fait leur apparition sur le marché. Le di-séléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2 ou CIS), le tellurure de cadmium (CdTe) et l’arséniure de gallium (GaAs) sont tous des matériaux à couche mince, généralement de quelques micromètres ou moins d’épaisseur, qui sont directement utilisés dans les cellules photovoltaïques. Cette technologie utilise beaucoup moins de matériaux par surface carrée de la cellule et, par conséquent moins coûteuse par watt de puissance générée 10.
Cellules solaires de troisième génération
Cellule Sphérique
Il s’agit d’une autre technologie explorée dans les laboratoires. La matière première est constituée de perles sphériques de silicium cristallin de qualité inférieure, qui sont appliquées sur des carrés de 4 pouces de feuille d’aluminium mince perforée. Au cours du processus, les impuretés sont poussées à la surface, où elles sont éliminées par gravure. Comme chaque sphère fonctionne indépendamment, l’échec d’une sphère individuelle a un impact négligeable sur la performance moyenne de la surface globale 10.
Cellule concentratrice
Pour tenter d’améliorer l’efficacité de la conversion, la lumière du soleil est concentrée des dizaines ou des centaines de fois l’intensité normale en la concentrant sur une petite zone à l’aide de lentilles peu coûteuses (Figure I.15). Cependant, la surface totale de collecte de la lumière du soleil reste approximativement la même pour une puissance de sortie donnée 10.
Figure I.15 : Cellule concentratrice 10.
Cellule multi jonction
La cellule au silicium n-on-p à simple jonction convertit uniquement la lumière rouge et infrarouge en électricité, mais pas la bleue et l’ultraviolette. La cellule photovoltaïque convertit la lumière en électricité de manière plus efficace lorsque l’énergie de la lumière correspond au niveau d’énergie du semi-conducteur, appelé bande interdite. La superposition de plusieurs semi-conducteurs présentant un large éventail de bandes interdites permet de convertir un plus grand nombre de niveaux d’énergie (longueurs d’onde) de la lumière en électricité.
La cellule multi jonction utilise plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs pour convertir un spectre plus large de lumière solaire en électricité, ce qui améliore le rendement. La lumière qui s’échappe de la première jonction sans être convertie en électricité est capturée par la deuxième jonction qui convertit l’énergie supplémentaire en électricité, et il en va de même pour la troisième jonction 10.
Cellule multi jonction métamorphique inversée (IMM)
La cellule IMM a été inventée au NREL (National Renewable Energy Laboratory) pour combiner les améliorations de l’efficacité de la cascade de jonctions multiples et de la lumière solaire concentrée. Elle a ensuite été financée par le Département d’Energie des Etats unis (DoE) pour les installations d’énergie solaire sur terre. Les cellules IMM sont fabriquées avec vapeur déposée en couches minces sur des substrats, et les cellules avec verre de couverture peuvent être montées sur un tissu flexible.
La cellule IMM a un rendement de photo conversion de 28,3 % au soleil normal, et 42,6 % sous une lumière solaire concentrée 327 fois supérieure à la normale sur terre. Les cellules qualifiées pour l’espace fabriquées par SPECTROLAB (CA) et EMCORE (NM) existent en 3, 4, et 6 jonctions avec un rendement encore plus élevé. On estime qu’une cellule à 6 jonctions sous un soleil 400 fois concentré peut avoir un rendement supérieur à la normale 10.
Pérovskites
Actuellement, parmi les matériaux inorganiques utilisés dans le but de développer des technologies photovoltaïques, les pérovskites ont été largement étudiées et rapportées dans plusieurs revues. Le premier dispositif photovoltaïque à base de pérovskite est apparu en 2007 avec un PCE de 2,2 %. 11.
Les progrès rapides dans les techniques de dépôt et les avancées dans les matériaux pérovskites ont permis à l’efficacité de leurs cellules de recherche d’augmenter considérablement au cours des dernières années, passant de 13 % en 2013 à 24,2 % en 2019 12.
Cellule à pigment photosensible
Ces cellules sont des cellules photovoltaïques de la troisième génération qui peuvent être utilisées pour créer des panneaux solaires peu coûteux, écologiques et flexibles 11.
L’efficacité de ces dispositifs pour les applications d’énergie solaire conventionnelles peut être limitée. En 2019, ils ont atteint des efficacités optimales en réponse à la lumière du soleil (AM=1,5) d’environ 24 % 12.
Caractéristiques d’un Générateur Photovoltaïque
Comme il a été dit à la section précédente, un photogénérateur débite un certain courant, sous une différence de potentiel. Nous allons décrire ici la relation courant-tension qui conditionne le fonctionnement électrique du photogénérateur.
Tension du circuit ouvert 𝑽𝒐𝒄
Si l’on place une photopile sous une source lumineuse constante, Sans aucun récepteur, elle peut générer à ses bornes une tension continue maximale, dite tension de circuit ouvert Voc ou tension à vide. Cette tension est de l’ordre de 0,7 V pour une cellule élémentaire (elle varie avec la technologie et l’éclairement). Un photogénérateur étant une association de cellules élémentaires, la tension à vide Voc sera typiquement égale à :
𝑉𝑜𝑐 = n × 0,7
Où n est le nombre de cellules. Mais, dans cet état, la photopile ne débite aucun courant et ne peut alimenter aucun récepteur. C’est sous une tension inférieure que la photopile sera utilisée, afin qu’elle débite tension et courant pour alimenter le récepteur.
Courant de court-circuit 𝑰𝒄𝒄
À l’inverse du point de circuit ouvert, lorsqu’on place le photogénérateur en court-circuit, il débite son courant maximal, mais aucune tension. On appelle ce courant maximal à tension nulle courant de court-circuit.
Point de puissance maximale MPP
L’utilisation optimale d’une photopile consiste à alimenter une charge sous la tension maximale et à un courant maximal.
En effet, suivant la formule P = UI, pour que la puissance soit maximale : il faut être dans les conditions où le produit UI est maximal : c’est le point de charge idéal de la photopile, ou point de puissance maximale Pm (Figure I.16).
On a coutume d’appeler Um et Im la tension et le courant correspondant à ce point
Pm = Um × Im (8)
Figure I.16 : Courbe courant-tension d’un photogénérateur.
Puissance-crête et rendement
La puissance maximale est fonction de l’éclairement. Lorsqu’il s’agit de la puissance maximale dans les conditions normalisées d’ensoleillement STC (1 000 W/m2, 25 °C, spectre solaire AM 1,5), on parle alors de watts-crête (𝑊𝑐) ou de puissance- crête.
Le rendement d’un photogénérateur est le rapport entre la puissance électrique générée et la puissance lumineuse reçue par le photogénérateur, Où S est la surface du photogénérateur.
ɳ = 𝑷𝒎
𝑬×𝑺
Influence des paramètres externes
Dans cette partie nous avons procéder à la simulation sous environnement MATLAB l’influence de la température et de l’éclairement sur les caractéristiques I-V et P-V d’une cellule.
Figure I.17 : Block de simulation sous environnement MATLAB.
La Température
Lorsque la température interne T augmente, le courant de court-circuit Icc augmente légèrement en raison d’une meilleure absorption de la lumière (effet de la diminution de l’énergie du gap avec la température) mais la tension à vide diminue fortement avec la température. La puissance électrique maximale diminue également fortement avec la température. Les conditions standard sont généralement choisies pour une valeur de la température interne T égale à 25°C. Sous un soleil radieux, la température interne est souvent plus élevée et donc le rendement plus faible 13.
Figure I.18 : Influence de la température sur les caractéristique I-V et P-V.
L’Eclairement
La figure montre les caractéristiques courant-tension I-V et puissance-tension P-V de la cellule PV pour différents niveaux de rayonnement. On constate que le courant Icc augmente quasi linéairement avec l’irradiance et que la tension Voc augmente légèrement. Ensuite, la puissance électrique maximale MPP augmente plus rapidement que l’irradiance, c’est-à-dire que le rendement est meilleur pour une irradiation élevée. Les conditions de référence sont généralement choisies avec une irradiance de 1 000 W/m2. Dans la pratique, l’irradiance sur le PV sans concentration de lumière est plus faible, et donc l’efficacité est inférieure à sa valeur nominale 13.
Figure I.19 : Influence de l’éclairement sur les caractéristique I-V et P-V.
Structure Générale
La structure typique d’un module, telle qu’elle est représentée à la Figure I.20, consiste en une structure à plusieurs couches dans laquelle les cellules solaires sont prises en sandwich entre deux couches d’encapsulant et un couvercle avant et arrière. Les modules peuvent être encadrés ou non encadrés et une boîte de jonction est utilisée pour connecter le circuit électrique interne aux câbles et connecteurs utilisés pour le câblage des modules.
En général, deux structures sont adoptées :
- Les structures verre/feuille, dans lesquelles la feuille avant transparente est une feuille de verre et la couverture arrière opaque est formée par une feuille arrière polymère.
- Les structures verre/verre utilisent également une feuille de verre comme couverture arrière. Par rapport à la variante verre/feuille arrière, ces structures sont plus stables d’un point de vue mécanique 9.
Figure I.20 : Structure sandwich typique d’un module solaire PV 9.
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8 [Référence non spécifiée]
9 [Référence non spécifiée]
10 [Référence non spécifiée]
11 [Référence non spécifiée]
12 [Référence non spécifiée]
13 [Référence non spécifiée]
