Pilotage automatique d’un système photovoltaïque

L’augmentation du cout des énergies classique d’un part , et la limitation de leurs ressources d’autre part , font que l’énergie photovoltaïque devient de plus en plus une solution parmi les options énergétique prometteuses avec des avantages comme l’abondance l’absence de tout pollution et la disponibilité en plus ou moins grands qualités en tout point du globe terrestre. Actuellement, en assiste a un regain d’intérêt pour les installation utilisant l’énergie solaire, surtout pour les application sur des sites isolés.

La conversion photovoltaïque est l’un des modes les plus intéressants d’utilisation de l’énergie solaire. Elle permet d’obtenir d’électricité de façon directe et autonome a l’aide d’un matériel fable et du durée de vie relativement élevée, permettant une maintenance réduire. Le but d’un système photovoltaïque (PV) est d’utiliser la conversion directe de l’énergie solaire par effet photovoltaïque pour subvenir aux besoins en énergie de l’utilisation .

Semi-conducteur 

Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d’un isolant, mais pour lequel la probabilité qu’un électron puisse contribuer a un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d’autres termes, la conductivité électrique d’un semiconducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélise a l’aide de la théorie des bandes d’énergie. Ce modèle stipule qu’un électron dans un solide ne peut que prendre des valeurs d’énergie comprises dans certains intervalles que l’on nomme « bandes « , plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées par d’autres  » bandes » appelées bandes d’énergie interdites ou bandes interdites.

Deux bandes d’énergie permises jouent un rôle particulier :
• la dernière bande complètement remplie, appelée  » bande de valence  »
• la bande d’énergie permise suivante appelée  » bande de conduction « 

La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant a elle, est soit vide (comme aux températures proches du zéro absolu dans un semi-conducteur) soit semi-remplie (comme dans le cas des métaux) d’électrons. Cependant c’est elle qui permet aux électrons de circuler dans le solide.

Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement de la bande de valence a la bande de conduction et circuler dans tout le solide. Dans un semi-conducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées par une bande interdite, appelée couramment par son équivalent anglais plus court ≪ gap ≫. L’unique différence entre un semi-conducteur et un isolant est la largeur de cette bande interdite, largeur qui donne a chacun ses propriétés respectives. Dans un isolant cette valeur est si grande (aux alentours de 6 eV pour le diamant par exemple) que les électrons ne peuvent passer de la bande valence a la bande de conduction: les électrons ne circulent pas dans le solide.

Dans les semi-conducteurs cette valeur est plus petite (1,12 eV pour le silicium, 0,66 eV pour le germanium, 2,26 eV pour le phosphure de gallium). Si on apporte cette énergie (ou plus) aux électrons, par exemple en chauffant le matériau, ou en lui appliquant un champ électromagnétique, ou encore dans certains cas en l’illuminant, les électrons sont alors capables de passer de la bande de valence a la bande de conduction, et de circuler dans le matériau.

Les semi-conducteurs extrinsèques :

Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce procédé est appelé dopage.

Dopage de type N :
On remplace un atome de silicium par un atome pentavalent. Quatre d’entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième resté disponible va être excité vers la bande de conduction très facilement par l’agitation thermique. D’où le nombre d’électron libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou est très inférieur au nombre d’électron libre.

Dopage de type P:
De la même façon on introduit des atomes Trivalents, ses trois électrons vont assurer les liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant.

Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque, on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore. L’une des solutions, couramment utilisée, pour extraire sélectivement les électrons et les trous utilise un champ électrique au moyen d’une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N :

• La couche supérieure de la cellule est composée d’un semi-conducteur dope N. Dans cette couche, il existe une quantité d’électrons libres supérieure a celle du matériau intrinsèque (i.e. non dope), d’ou l’appellation de dopage N, comme négatif (charge de l’électron). Le matériau reste électriquement neutre : c’est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge négative.
• La couche inferieure de la cellule est compoasée d’un semi-conducteur dope P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons libres inferieure a celle du matériau intrinsèque (i.e. non dope), les électrons sont lies au réseau cristallin qui, en conséquence, est charge positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).

PC1D (Personnel Computer One Dimension)

Le PC1D est un simulateur solaire unidimensionnel pour Windows, créé initialement au laboratoire de sandia National par Dr.paul Basore et son équipe en 1984, puis développé par Dr. Don Clugston à l’Université de New South Wales (UNSW) en Astralie. La première version a été publiée en décembre 1985. Le programme et devenu populaire grâce à son interface simple et souple, ce qui le rend facile à utilisé. Durant son exécution, seul le fichier PC1D.EXE est nécessaire pour les calculs. La bas de données du PC1D contient un fichier help PC1D.HLP et quelques fichiers additionnels des paramètre physique de quelque matériaux tels que le silicium(Si), le Germanium(Ge), l’InP et le GaAs. Il contient aussi les spectre solaire standards terrestre, spatiaux solaire à base de Si, Ge et les cellules solaires à base de semi-conducteurs  .

le fonctionnement du PC1D

L’interface proposée par le simulateur PC1D permet de bien présenter la structure solaire à étudier, qui peut être représentée au maximum par cinq couches.

Pour chaque couche, une liste de paramètres s’affiche sur la fenêtre principale. En cliquant sur le paramètre, on introduit la nouvelle valeur.

Après l’introduction de toutes les données nécessaires du matériau, le PC1D peut fonctionner. Un schéma descriptif de la structure étudiée est généré systématiquement du côté droit du panneau principal du simulateur. Pour spécifier l’étude à faire sous PC1D, deux fichiers externes sont nécessaires pour son exécution. Ces fichiers spécifient l’étude à faire, soit en obscurité (DarkIV.EXC) soit sous éclairement (Ine-Sun.EXC, Scan-Qe.EXC). Le fichier (Ine-Sun.EXC) permet le calcul des caractéristiques (I-V, P-V), ainsi que le rendement η et le facteur de forme FF, alors que le fichier (Scan-Qe.EXC) permet le calcul de la réponse spectrale.