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Le dopage et la jonction P.N :
Il peut être illustré par l’exemple suivant, qui présente le cas d’une cellule au silicium : La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est à dire qui possède plus d’électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne de l’oxygène, par exemple le Phosphore P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type N. [8] La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s’agir de Bore B. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons inférieure une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semiconducteur de type P. Lorsqu’on met ces deux semi-conducteurs en contact (de manière à ce qu’il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques.
Cependant, dans le cas d’une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé de manière à ce que le courant ne puisse pas s’établir seul : il faut qu’il y ait un apport d’énergie, sous forme d’un photon de lumière, pour qu’un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l’édifice. [9] Deux électrodes sont placées, l’une au niveau de la couche supérieure et l’autre au niveau de la couche inférieure : une différence de potentiel électronique et un courant électrique sont créés L’effet repose donc à la base sur les propriétés semi-conductrices du matériau et son dopage afin d’en améliorer la conductivité. Pour modifier les propriétés conductrices du silicium on y introduit des traces d’un autre élément appelé impureté: c’est le dopage. Le silicium est traité d’une certaine manière, on dit dopé, cette technique permet au silicium de jouer le rôle d’une diode, c’est-à-dire que les électrons ne pourront « passer » que dans un unique sens. La technique de dopage d’un semi-conducteur consiste à lui ajouter des impuretés, c’est-à-dire des éléments ayant un nombre différent d’électrons de valence. Les électrons porteurs de charge, générés par la lumière du soleil, sont partiellement perdus dans le volume du silicium à cause de la présence d’impuretés résiduelles (atomes de fer, titane…). [10] Les chercheurs développent donc des procédés permettant de piéger ces atomes dans des zones inactives. Les atomes du matériau de dopage, ou dopant (donneurs ou accepteurs d’électrons), et ceux du silicium ont un nombre différent d’électrons périphériques. Voici la structure électronique des atomes de phosphore, de silicium et de l’aluminium : [11]
Jonction PN : Lorsqu’un semi – conducteur dopé p est mis en contact avec un semi – conducteur dopé n, les électrons en excès dans la région n diffusent vers l’interface. Il en résulte une zone de charge d’espace dans une région d’environ 1 μm autour de l’interface, ce qui p roduit un champ électrique qui peut être calculé grâce à l’équation de Poisson. La barrière de potentiel au niveau de la jonction est donnée par : 𝑉𝑖 = 𝐸 𝑓 𝑛 − 𝐸 𝑓 𝑝 𝑞 𝐸 𝑓 𝑛 et 𝐸 𝑓 𝑝 sont les niveaux de Fermi respectivement dans les régions n et p ; q est la charge élémentaire. La jonction PN est le dispositif utilisé dans les cellules photovoltaïques. En effet, quand des photons sont absorbés dans la zone de charge d’espace, les paires électron-trou formées sont séparées par le champ électrique de la jonction qui fait migrer les électrons vers la région n et les trous vers la région P. La séparation des paires électron-trou par le champ électrique de la jonction PN fait passer au travers de celle-ci un courant jg (courant généré par la lumière)depuis la région N vers la région P. Simultanément la région P se charge positivement et la région N négativement, créant ainsi une polarisation de la cellule qui en retour fait passer au travers de la jonction un courant inverse Ji désigne opposé à celui de jg. S’il n’y a pas de connections extérieures, jg=ji.
Par contre, si la cellule est reliée à un circuit d’utilisation simulé par une résistance de charge Ru, une partie de jg passe par le circuit extérieur. On a : jgjiju (Ι.6) Où ju est le courant passant dans le circuit d’utilisation. L’équation fondamentale de la jonction p-n devient : jgjseqV/kT 1ju (Ι.7) V est ici la tension de polarisation due au passage du courant jg. La chute de tension dans le circuit s’écrit donc : VjuRsVu (Ι.8) Où Vu est la tension aux bornes du circuit d’utilisation et Rs la résistance interne de la cellule qui peut être considérée comme étant en série. La combinaison des relations précédentes conduit à l’équation fondamentale de la cellule photovoltaïque : 𝑉𝑢 = [𝐾𝑇 𝑞 ] log [1 + 𝑗𝑔−𝑗𝑢 𝑗𝑠 ] − 𝑅𝑠𝑗𝑢 (Ι.9) Le courant de court-circuit jcc est le courant qui passe dans le circuit d’utilisation si Ru=0. jcc est proportionnel à jg selon (7), donc proportionnel au flux lumineux. Par suite des pertes électriques, on a toujours jcc<jg. La tension aux bornes de la cellule est maximum quand ju= 0 soit Ru = ∞. On définit ainsi la tension de circuit ouvert Vco : 𝑉𝑐𝑜 = [𝐾𝑇 𝑞 ] log [1 + 𝑗𝑐𝑐 𝑗𝑠 ] (Ι.10) On notera que la puissance électrique fournie par la cellule, P=Vu ju, dépend de la résistance Ru du circuit extérieur. Ceci est dû au fait que les pertes électriques dans la cellule dépendent du « point de fonctionnement », lui-même déterminé par les caractéristiques du circuit extérieur. Soit Pmax la puissance fournie par la cellule dans les conditions optimales. La grandeur Pmax/Vcojcc s’appelle facteur de remplissage (fill factor) et est notée FF [13]. Elle est toujours inférieure à 1 (Cf figure 1-7) et joue un rôle important en intervenant dans le calcul du rendement de la cellule. [14]
Recherche et développement :
La technique n’a pas atteint la maturité et de nombreuses pistes de recherches sont explorées ; il s’agit d’abord de faire baisser le prix de revient de l’électricité produite, mais aussi d’obtenir des progrès en matière de rusticité, de souplesse d’usage, de facilité d’intégration dans des objets, de durée de vie, etc.). Toutes les étapes des procédés de fabrication peuvent être améliorées, par exemple :
• la société « Evergreen Solar » a éliminé l’étape du sciage, remplacée par le dépôt de silicium encore liquide sur un film où il se cristallise directement à l’épaisseur du « wafer »
• la société « NanoSolar » industrialise la production de cellules CGIS par une technique d’imprimerie, en continu, en espérant des coûts de 1 $/W en 2010.
• toutes les sociétés anno ncent successivement des accroissements du rendement de leurs cellules
• la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations • On cherche à mieux valoriser toutes les longueurs d’onde du spectre solaire (dont l’infrarouge, ce qu i ouvrirait des perspectives très intéressantes : transformation directe de la lumière d’une flamme en électricité, rafraichissement).
• Des « concentrateurs » (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement sur l’élément essentiel et coûteux qui est la cellule photovoltaïque et ses semi – conducteurs. Fin 2007, Sharp a annoncé disposer d’un système concentrant jusqu’à 1100 fois le rayonnement solaire (c ontre 700 fois pour le précédent record en 2005); début 2008, Sunrgi a atteint 1600 fois. La concentration permet de diminuer la proportion du panneau consacré à la production de l’électricité, et donc leur coût. De plus ces nouveaux matériaux (les III – V n otamment) supportent très bien l’échauffement important du à la concentration du flux solaire.
• On étudie aussi la possibilité d’associer les siliciums amorphe et cristallin par « hétérojonction », dans une même cellule photovoltaïque à plus de 20 % de rend ement. Projet de 2 ans annoncé début 2008, associant le Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et des nanomatériaux du CEA – Liten et la société coréenne JUSUNG (fournisseur d’équipements pour les fabricants de semi – conducteurs ), avec l’INES (Savoie) où le CEA – Liten a concentré ses activités concernant l’énergie solaire.
• D’autres semi – conducteurs (sélénium; association Cuivre – Indium – Sélénium (CIS) en couche mince) sont étudiés par exemple en France par l’institut de recherche et développement sur l’énergie photovoltaïque (IRDEP [8] ). Le CIS semble pouvoir offrir un rendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication.
• Des composés organiques (matières plast iques) peuvent également être utilisés pour réaliser des cellules polymères photovoltaïques et pourraient permettre de réaliser des panneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïques, espère – t – on à faible coût de fabrication. Pour l’i nstant leurs rendements sont faibles (5% maximum), ainsi peut – être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent à résoudre. Début 2008, le groupe japonais Fujikura a annoncé avoir testé (1000 heures à 85 °C et une hygrométrie de 85%) une cellule photovoltaique organique de type Grätzel non seulement plus résistante, mais au rendement amélioré de 50 à 70 % grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie à l’intérieur de la cellule où elle libère à nouveau des charges électriques en activant d’autres pigments photosensibles.
• Une équipe Américaine du Boston collège à Chestnut Hill (Massachusetts) a mis au point des panneaux solaires capables de récupérer les infrarouges et de les transformer en électricité. Ce qu i permettrait une production d’énergie électrique à partir de n’importe quelle source de chaleur, même la nuit : Pour l’instant, seule une partie de la lumière visible, principalement les rayonnements verts et les bleus, est transformée en électricité et l e rayonnement infrarouge n’est utilisé que par les panneaux thermiques pour chauffer de l’eau. La transformation des infrarouges en électricité constituera une véritable percée. La pénurie de silicium accroît encore l’incitation à l’innovation sur un marc hé en forte croissance qui s’annonce colossal, surtout si on parvient à baisser le prix de revient de l’électricité produite et à le rapprocher de celui des combustibles fossiles
Conclusion générale
Il est incontestable que l’énergie du soleil est l’énergie la plus répandue sur la planète, la plus abondante et la plus accessible de toutes les énergie dites renouvelables ; elle peut être consommée directement sur place pour les petites installations ou être récoltée par de grande stations de production de plusieurs MW soit par des champs photovoltaïques ou des centrales a concentrateurs ; et acheminée vers le consommateur via des réseaux de transport. L’étude que nous avons menée montre que le domaine du photovoltaïque est une discipline complexe de l’ingénierie ; bien que le phénomène soit connut depuis longtemps, l’application de cette technologie n’a pas pu prendre son essor que grâce aux avancés spectaculaires qu’a réaliser l’industrie de l’électronique vers toujours plus de miniaturisation et une optimisation des couts de productions. Il existe une concurrence féroce entre les constructeurs dans ce domaine, cette dernière ne peut être que bénéfique pour l’évolution des techniques, des composants ainsi que pour les logiciels de contrôle. Enfin, cette étude nous a montré que l’installation d’un système photovoltaïque dans un foyer ordinaire raccordé au réseau peut se présenter comme un investissement réel pour non seulement économiser de l’énergie mais aussi la revendre et réaliser ainsi un bon bénéfice. On peut en conclure que le photovoltaïque représente une solution réel de remplacement des énergies fossiles par une énergie verte, performante et lucrative.
INTRODUCTION GENERALE |
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