Les cellules solaires photovoltaïques

Les cellules solaires photovoltaïques

Energie solaire

Spectre solaire

Le soleil est l’étoile la plus proche de la terre ; 150 millions km, le soleil est constitué principalement de gaz (composé de 70% d’hydrogène et de 28% d’hélium), dont la fusion continue à produire une quantité d’énergie phénoménale. La fusion des atomes d’hydrogène et des atomes d’hélium permet en effet d’atteindre des températures de l’ordre de 20 millions de degrés Kelvin [2] [3]. Cette énergie se traduit par l’émission d’un rayonnement composé de longueurs d’ondes majoritairement comprises entre 0.2 𝜇𝑚 et 3 𝜇𝑚. Hors atmosphère, le rayonnement émis par le soleil (AMO) est constitué de : 9% d’UV(0.1 < 𝜆 < 0.4𝜇𝑚). 43% de visible(0.4 < 𝜆 < 0.75 𝜇𝑚). 48% d’infrarouges(0.75 < 𝜆 < 5 𝜇𝑚). On représente le rayonnement par un spectre donnant l’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde des spectres AM 0 et AM 1.5G (FigureI.1). On remarque que l’absorption, due à l’atmosphère à certaines longueurs d’ondes, est très importante. Les longueurs d’ondes du rayonnement électromagnétique du spectre solaire sont comprises entre 290nm et 2770nm avec les rayons ultraviolets, la lumière visible et les rayons infrarouges. L’atmosphère terrestre joue le rôle de filtre, les nombreux gaz présents dans  l’atmosphère absorbent une partie du rayonnement. La notion d’Air Mass (AM) quantifie la puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle du soleil par rapport au zénith. Le spectre solaire AM 0 représente le spectre solaire hors atmosphère, il est principalement utilisé dans le cadre des applications spatiales 𝑃 ≈ 1.36𝐾𝑊. 𝑚−2 . Le spectre AM 1.5 représente le spectre solaire sur Terre au niveau de la mer (soleil au zénith par temps clair avec un angle de 48°) 𝑃 ≈ 1𝐾𝑊. 𝑚2 [5]. Dans le spectre AM 1.5G : Le « 1.5 » signifie que le parcours de la lumière dans l’atmosphère est 1.5 fois supérieur au parcours le plus court du soleil. Le « G » représente le rayonnement « global ». Les conditions standards de qualification des modules photovoltaïques sont : un spectre AM1.5 sous un éclairement de 1000W/m² et une température de 25°C. I.2.2 Types des rayonnements solaires: On distingue plusieurs types de rayonnement dont nous allons voir quelques-uns.  Rayonnement diffus : Il intéresse tout le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point d’observation n’est pas géométriquement rectiligne et qui est dispersé ou réfléchi par l’atmosphère ou bien le sol [6].  Rayonnement direct : Il représente des rayons ultraviolets. Il est émis du soleil et arrive à la Terre directement. Il a une trajectoire linéaire Il est employé dans les systèmes de concentration et se symbolise par la lettre “D“ dans le spectre AM 1.5D.  Rayonnement réfléchi : Il représente des rayons réfléchis par la Terre.  Rayonnement Global : Il constitue un ensemble de rayons (direct, diffus et réfléchi) qui est employé pour faire fonctionner les panneaux solaires.

Energie photovoltaïque

Historique

L’énergie photovoltaïque est la conversion du rayonnement solaire en électricité. « Photovoltaïque» est un mot grec qui réunit photo qui veut dire lumière et volt qui est une unité qui mesure de la tension électrique et qui tient son nom du physicien Volta. Le scientifique français, Edmond Becquerel, fut le premier à découvrir en 1839 l’effet photoélectrique. Il a prouvé que certains matériaux pouvaient produire une petite quantité de courant sous l’effet de la lumière. Par la suite, Albert Einstein à découvert, en travaillant sur l’effet photoélectrique, que la lumière n’avait pas un seul caractère ondulatoire, mais que son énergie était portée par des particules (les photons). L’énergie d’un photon est donnée par la relation : 𝐸 = ℎ𝑐 𝜆 (I.1) Où h est la constante de Planck, c la célérité de la lumière et λ sa longueur d’onde. Ainsi, plus la longueur d’onde est courte, plus l’énergie du photon est grande. Cette découverte valu à Albert Einstein le prix Nobel en 1905. En 1955, des chercheurs américains (Chapin, Fuller, Pearson et Prince) travaillant pour les laboratoires Bell Téléphone (devenus aujourd’hui Alcatel-Lucent Bell Labs) développent une cellule photovoltaïque à haut rendement de 6 %. C’était en 1958 où le premier engin spatial alimenté par énergie photovoltaïque a été lancé dans l’espace. Jusqu’à maintenant, l’énergie solaire photovoltaïque est le seul type d’énergie d’alimentation des satellites. Les Américains ont lancé en 1959 le satellite vanguard qui est alimenté par des piles photovoltaïques ayant un rendement de 9%. La première maison avec une installation photovoltaïque voit le jour en 1973 à l’université de Delaware aux Etats-Unis d’Amérique. C’est en 1983 que la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt 4000 kilomètres en Australie. Aujourd’hui, l’énergie photovoltaïque est à la disposition des entreprises et des particuliers. Les panneaux photovoltaïques ont des rendements de l’ordre de 20% 

 Cellule photovoltaïque

 C’est un composant électronique qui convertit l’énergie solaire en énergie électrique c’est-à-dire il convertit le photon reçu en une tension électrique continue. Cela se fait à partir d’un processus nommé « effet photo-électrique ». Cette cellule est, généralement, faite de matériaux semi-conducteurs. Les cellules réunies forment le module ou le panneau photovoltaïque. Elle peut être conçue à base d’une homojonction ou d’une hétérojonction. 

Le Principe de fonctionnement d’une cellule solaire

 La cellule photovoltaïque absorbe des photons de la lumière incidente à l’aide du matériau semi-conducteur constitué d’une bande de conduction et d’une bande de valence qui, entre elles, se trouve la bande interdite (gap). Si l’énergie de photon incident est supérieure à l’énergie de gap, alors il transmet son énergie à l’électron qui est à son tour transporté de la bande de valence vers la bande de conduction, laissant un trou dans la bande de valence. Cette absorption du photon entraine une création des pairs électron-trous. Si l’énergie du photon est insuffisante, alors il n’est pas absorbé et il traverse le matériau sans transmettre son énergie. Après création de pairs électron-trous, si les porteurs ne sont pas extraits d’une manière suffisamment rapide de part et d’autre de la cellule, alors il y aura une recombinaison entre l’électron et le trou. Pour cela, on impose un champ électrique interne à la cellule pour séparer les porteurs et pour orienter des porteurs chargés positivement et négativement en sens inverse. La création du champ électrique interne est due à l’utilisation d’une jonction P/N constituée de deux matériaux semi-conducteurs dopés respectivement, positivement et négativement. Lors du contact des deux semi-conducteurs il apparait trois régions : Région dopée N, région dopé P, région interface des deux autres. Dans cette dernière il y a diffusion des porteurs libres majoritaires et recombinés entre eux. Cette zone est appelée la zone de déplétion (zone de charge d’espace ZCE). Les charges portées par les atomes dopés qui ne sont plus à proximité d’un porteur libre de charges opposées, sont responsables de la formation d’un champ électrique. Ce dernier est à la base de la séparation des pairs électron-trous photo  générées, bien sûr sous illumination, et à l’attraction des électrons dans le matériau dopé N et les trous dans celle dopé P, Tout cela fait naitre un photo courant. La conversion photovoltaïque dans une cellule solaire repose sur : – L’absorption de la lumière et la génération des paires électron-trous. – La diffusion et la séparation des pairs électron-trous créés par photons. – La collecte des charges : les pairs électro-trous se font retourner par voie d’un champ électrique de la jonction vers les régions où elles seront majoritaires (Figure.I.3) c.-à-d. les électrons vers l’émetteur (région type N) et les trous vers la base (région type P).