Etude de cellule photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par l’oblique d’une cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque.

L’énergie solaire : 

La distance de la terre au soleil est environ 150 million de kilomètres et la vitesse de la lumière est d’un peu plus de 300000 km/s, les rayons du soleil mettent donc environ 8 minutes à nous parvenir. La constante solaire est la densité d’énergie solaire qui atteint la frontière externe de l’atmosphère faisant face au soleil. Sa valeur est communément prise égale à 1360W/m² . Au niveau du sol, la densité d’énergie solaire est réduit à 1000 W/ m2 à cause de l’absorption dans l’atmosphère.

Albert Einstein à découvert en travaillant sur l’effet photoélectrique que la lumière n’avait pas qu’un caractère ondulatoire, mais que son énergie est portée par des particules, les photons. L’énergie d’un photon étant donnée par la relation : E=ℎ.𝑐/𝜆 

h : constante de Planck. (h=6,62× 10-34 Js)
c : vitesse de la lumière. (c= 3×108 m.s-1)
𝛌 : Énergie du photon associé (en eV)

Donc pour qu’il y création de paires électrons-trous, il faut que l’énergie transportée par les photons qui arrivent sur le dispositif soit supérieure ou égale au gap (trou) du matériau semiconducteur [3] .

Cellule Photovoltaïque : 

Les cellules photovoltaïques ou les plaques solaires sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé « effet photovoltaïque », a été découverte par E. Becquerel en 1839.

Elles sont réalisées à l’aide de matériaux semi-conducteurs, c’est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants. La taille de chaque cellule va de quelques centimètres carrés jusqu’ à 100 cm² en plus sa forme est circulaire, carrée ou dérivée des deux géométries.

Effet photovoltaïque :

Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule et du vieillissement de la cellule.

Les performances de rendement énergétique atteintes industriellement sont de 15 à 18 % pour les cellules à base de silicium monocristallin, 10 à 14 % avec du silicium poly cristallin et enfin 7 à 10 % pour le silicium amorphe en films mince. [8] La photopile ou cellule solaire est l’élément de base d’un générateur photovoltaïque.

Technologie d’une cellule photovoltaïque :

L’industrie photovoltaïque est concentrée à près de 90% sur l’utilisation du silicium comme matériau de base. Ce semi-conducteur présente en effet différents avantages : il est abondant à la surface du globe car facilement extrait à partir du sable ; il n’est pas toxique il peut se doper facilement (avec le phosphore ou le bore). Mais d’autres matériaux semi-conducteurs sont également employés pour la fabrication des photo- générateurs.

Silicium monocristallin :

C’est un matériau de très haute pureté, qui est obtenu par des procédés industriels tels que le tirage Czochralski (CZ) « est un procédé de croissance de cristaux monocristallins de grande dimension » [10] ou la purification par fusion de zone (FZ), le produit fini se présente sous la forme de lingots qu’il faut ensuite découper en plaquettes de 300μm. C’est un matériau qui présente d’excellentes qualités électroniques et permet la fabrication de cellules à haut rendement (15-18%), mais il est très couteux. La part du marché du silicium monocristallin est de moins en moins importante (33,6% actuellement) [11].

Silicium poly cristallin : 

Il est composé de petits grains de silicium cristallin. Les cellules à base de silicium poly cristallin sont moins efficaces que les cellules à base de silicium monocristallin. Les joints de grains dans le silicium poly cristallin gênent l’écoulement des électrons et réduisent le rendement de puissance de la cellule. L’efficacité de conversion PV pour une cellule à base de silicium poly cristallin modèle commercial s’étend entre 10 et 14%.

Silicium amorphe :

Le silicium est déposé en couche mince sur une plaque de verre ou un autre support souple. L’organisation irrégulière de ses atomes lui confère en partie une mauvaise semi conduction. Les cellules amorphes sont utilisées partout où une solution économique est recherchée ou lorsque très peu d’électricité est nécessaire, par exemple pour l’alimentation des montres, des calculatrices, ou des luminaires de secours. Elles se caractérisent par un fort coefficient d’absorption, ce qui autorise de très faibles épaisseurs, de l’ordre du micron. Par contre son rendement de conversion est faible (de 7à 10 %) et les cellules ont tendance à se dégrader plus rapidement sous la lumière.