La technologie du silicium cristallin
Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque repose sur le principe de l’effet photoélectrique. En effet, sous l’effet de la lumière, un matériau semi-conducteur peut libérer des électrons et créer un courant électrique continu. Parmi les matériaux pouvant réaliser cette conversion énergétique, le silicium présente le meilleur rendement avec une grande disponibilité sur Terre. C’est pourquoi il constitue aujourd’hui le matériau de base dans la fabrication des cellules solaires.
Il existe deux grandes filières de silicium cristallin : le silicium monocristallin et le silicium polycristallin. Silicium monocristallin : Les cellules sont réalisées à partir des plaquettes de silicium monocristallin utilisées par l’industrie de la microélectronique. Ces plaquettes sont produites à partir des briques de siliciums, obtenus en faisant fondre des grains de silicium en lingots. Ce lingot de silicium sera ensuite découpé en brique et les briques en plaquette. Ce processus de fabrication est appelé procédé de croissance de Czochralski.
La jonction p-n est homogène : le seul semi-conducteur utilisé est le silicium, il est dopé p et n. Selon Daniel Lincot, leur rendement peut atteindre 20% mais leur pouvoir d’absorption de la lumière est assez faible.
Silicium polycristallin : Le silicium polycristallin se présente comme une alternative au Silicium monocristallin. Il est généralement obtenu par refonte des chutes de silicium de l’industrie de la microélectronique.
Etant moins homogènes, le rendement énergétique du Silicium polycristallin est moins bon (environ 13%) mais leur pouvoir d’absorption est supérieur à celui du silicium monocristallin .
La technologie des couches minces
Dans le souci d’économiser le stock mondial en silicium, les chercheurs ont commencé à développer les filières couches minces depuis les années 1960. Le premier silicium amorphe a était déposé par Chittik en 1969 et le premier module CdS/CdTe a été fabriqué en 1972.
Actuellement, les filières couches minces sont en plein développement, et les rendements peuvent aller de 11 à 20 %.
Ces filières représentent 17 % du marché et sont issues des technologies du revêtement de différents supports : revêtements sur du verre, sur des métaux, sur des plastiques. Ce sont des accumulations de couches minces de quelques microns d’épaisseur que l’on peut classer en trois grandes catégories : les cellules basées sur le silicium amorphe (ce sont les cellules utilisées dans les calculatrices), les cellules basées sur du tellurure de cadmium (CdTe), déposés sur du Sulfure de Cadmium CdS, qui constituent l’objet de notre étude, et enfin celles basées sur un alliage de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium (Cu(In,Ga)Se2.
Silicium amorphe : Les cellules basées sur le silicium amorphe (a-Si) furent découvertes dans les années 1970 et développée en France par Lionel Solomon, académicien et Directeur de recherche émérite au Centre National de la Recherche Scientifique (C.N.R.S), dans son laboratoire de l’école polytechnique. Cette filière représente actuellement 5 % de la production et produit des cellules dont le rendement est de l’ordre de 6 à 8 %. Il existe deux versions de cellules á couches minces au silicium : la version simple, dite mono jonction, et la version complexe dite multi jonctions où l’on superpose deux jonctions simples pour augmenter le rendement. La première fonctionne bien aux courtes longueurs d’onde et la dernière aux grandes longueurs d’onde. Cela permet d’atteindre des rendements plus élevés (environ 10 %).
Tellurure de cadmium déposé sur le Sulfure de Cadmium : CdS/CdTe : Le tellurure de cadmium est employé en tant que semi-conducteur dopé de type p. Un autre matériau est donc requis pour réaliser la jonction p-n, il s’agit du Sulfure de Cadmium dopé de type n (CdS). Une telle union entre deux semi-conducteurs différents est appelée hétérojonction. L’emploi du tellurure de cadmium pour les cellules solaires est très avantageux car seuls 1 à 8 µm de CdTe suffisent pour absorber une grande quantité de la lumière. En plus, les panneaux solaires à base de CdTe sont légères, rigides et se comportent mieux que les autres panneaux lorsque leur température monte. Selon les chercheurs de l’entreprise Américaine First Solar, les panneaux à base de CdTe ne perdent que 3 % de leur puissance par tranche de 10 °C supplémentaires, contre 5 % pour les cellules cristallines. Un rendement record de 18,7 % est atteint le 26 février 2013 sur une cellule expérimentale de First Solar, résultat confirmé par le National Renewable Energy Laboratory (NREL). Les panneaux commercialisés ont quant à eux des performances de l’ordre de 12,5 %. Ces cellules sont constituées d’un empilement de couches minces sur un substrat de verre . Les avantages de cette technologie résident sur le fait que les procédés de dépôts sont extrêmement rapides (de quelques secondes à quelques minutes), ce qui permet d’atteindre des débits de production importants et donc une diminution des coûts de production (moins de 1 dollar par watt). Le coût de fabrication d’une cellule en tellurure de cadmium serait deux à trois fois moins important que celui d’une structure cristalline.
Les composants du système PV
Un système solaire est un ensemble complet d’équipement permettant de transformer l’énergie lumineuse en énergie électrique, qui sera utilisé pour alimenter des charges. Un système solaire PV est composé de six éléments principaux : les panneaux solaires, les régulateurs de charges, les batteries solaires, les onduleurs, les câbles et les charges.
Le panneau solaire : Le panneau solaire est le composant fondamental du système PV. Il produit la quantité d’électricité requise et alimente le reste du circuit. C’est un système complexe composé de plusieurs éléments : cellules PV, un encapsulant, des diodes by-pass, des connecteurs, d’une boite de jonction, de câbles, d’un vert de protection sur la face du module et d’un verre ou d’un film polymère (Généralement du tedlar R) sur la face arrière du module.
Les régulateurs de charges : Appelé aussi contrôleur de charge, c’est un système ou appareil électronique fonctionnant de façon complètement automatique auquel sont raccordés le générateur (panneaux solaires), la batterie ainsi que d’éventuels équipements ou composants de l’installation. Le régulateur de charge sert avant tout à contrôler l’état de charge de la batterie. Il permet d’assurer la charge complète de la batterie et prévient de tout risque de surcharge de celle-ci en stoppant l’alimentation lorsque cela s’avère nécessaire. Ainsi, pour prolonger la vie d’ne batterie un système PV a nécessairement besoin d’un régulateur sauf dans le cas où la batterie est très grande par rapport au module : c’est le cas où le module produit 1,5% au moins de la capacité de la batterie.
Les batteries ou accumulateurs
Les systèmes PV indépendant ont souvent besoin d’une forme de stockage d’énergie pour maintenir en service une charge en période de faible ensoleillement ou durant la nuit. Dans les systèmes nécessitant un stockage de l’énergie électrique, la batterie électrochimique à accumulateurs constituera souvent l’option la plus simple et la plus adéquate. En effet, la batterie accumule l’énergie excédentaire générée par l’installation PV et la stocke pour son utilisation en cas de besoin. La capacité de la batterie est une mesure de la quantité d’énergie ou de charge pouvant être stockée dans une batterie. Elle est déterminée par la quantité de matériaux actifs susceptibles d’entrer en contact avec l’électrolyte. Elle est exprimée en Ampère-heure. C’est-à-dire le temps pendant lequel la batterie peut délivrer une certaine intensité de courant avant d’être déchargé. La capacité standard d’une batterie est sa capacité dans les conditions standard (E=1000W/m2 T=20°C). Elle est souvent noté Cn ou C/n ; n désigne le nombre d’heure pendant lequel la batterie se décharge. Par exemple C10 = 590 Ah signifie que la batterie s’est déchargée de 590 Ah pendant 10h d’utilisation dans les conditions standards.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITE SUR LES SYSTEMES PV
I.1 : Introduction
I-2 : Les différentes technologies
I-2-1 : La technologie du silicium cristallin
I-2-1-1 : Silicium monocristallin
I-2-1-2 : Silicium polycristallin
I-2-2 : La technologie des couches minces
I-2-2-1 : Silicium amorphe
I-2-2-2 : Tellurure de cadmium déposé sur le Sulfure de Cadmium : CdS/CdTe
I-3 : Les composants du système PV
I-3-1: Le panneau solaire
I-3-2 : Les régulateurs de charges
I -3-2 : Les batteries ou accumulateurs
I-3-3 : Les onduleurs
I-3-4 : Les câbles
I-4-1 : Schéma équivalent d’une cellule PV
I-4-2 : Grandeurs caractéristiques
I-4-2-1 : Tension de circuit ouvert : (V)
I-4-2-2 : Courant de court-circuit
I-4-2-3 : Facteur de forme : FF
I-4-3 : Caractéristiques I-V et P-V
CHAPITRE II : PERFORMANCE DES SYSTEMES PV : FACTEURS INFLUENÇANT
II-1 : Introduction
II-2 : Facteurs environnementaux
II-2-1 : L’irradiance solaire
II-2-2.Influence de la température du module
II-2-3 : Accumulation de poussière
II-2-4 : Ombrage
II-3- : Facteurs liés au système photovoltaïque
II-3-1 : Efficacité de l’onduleur
II-3-2 : Efficacité de la batterie
II-3-3 : Structure du panneau PV
II-3-3-1 : Matériel photovoltaïque
II-3-3-2 : Énergie de la bande d’espace
II-4 : Facteurs liés à l’installation du système photovoltaïque
II-4-1 : Choix des câbles
II.4-2 : Angle d’inclinaison ou d’orientation des panneaux photovoltaïques
II-5 : Conclusion
CHAPITRE III : MODES ET MECANISMES DE DEGRADATIONS DES MODULES PV CdS/CdTe
III-1 : Introduction
III-2 : Les modes et mécanismes de dégradations communs à tous les modules PV
III-2-1 : La corrosion
III-2-2 : La délamination
III-2-3 : La décoloration
III-2-4 : Les fissures et cassures de verre
III-3-4 : La dégradation de la boîte de jonction (JB)
III-3 : Les défaillances trouvées dans les modules PV à couches minces
III-3-1 : Micro-arcs aux connecteurs collés
III-3-2 : Les points chauds ou Hot-spots
III-4 : Les défaillances spécifiques trouvées dans les modules photovoltaïques CdS/CdTe
III-4-1 : Les bris de verre de la face avant
III-4-2 : Dégradation du contact arrière
III-5 : Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE
