[PDF] Le photovoltaïque: principes et filières inorganiques



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Cours Energie Solaire Photovoltaïque

I 2 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque: L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques



Chapitre I : La conversion photovoltaïque

principe de la conversion photovoltaïque est rappelé Ensuite, nous abordons la modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque Puis nous énumérons les principaux paramètres caractérisant une cellule photovoltaïque Enfin nous terminons ce chapitre par l’état de l’art en



Chapitre I L’énergie photovoltaïque et les cellules solaires

3 Principe de fonctionnement : Cellulephotovoltaïque : Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène La tension obtenue est fonction de la lumière incidente



Le photovoltaïque: principes et filières inorganiques

Cellule solaire UNSW Rendement 16 Sillons formés par attaque laser Contacts nickel, cuivre et argent Dopage n+ plus riche en phosphore en surface Limitation résistance avec grille M A Green & al ,Technical Digest of the Internationnal PVSEC, 1994, pp 391-394 Cellules photovoltaïques au Si amélioration du rendement Cellule solaire « PERL »



TECHNOLOGIES PHOTOVOLTAÏQUES

la cellule de plus faible impose son courant à l’ensemble du groupement Surtension inverse due aux autres cellules Fonctionnement de la cellule moins éclairée en récepteur en dissipant une puissance importante Destruction possible de la cellule si la contrainte thermique est trop grande ou si la tension d’avalanche est dépassée



fabbrospcfr

Le rinci ede la cellule hotovoltaï ue Le schéma ci-dessous représente le principe très simpli- fié de la cellule photovoltaique Un semi-conducteur dopé N et un semi-conducteur dopé P sont mis en contact La zone de contact entre les semi-conducteurs est appelée jonction La cellule photovoltaïque produit un courant lorsqu'elle



CHAPITRE I Modélisation d’un panneau solaire 2012

Principe d’une cellule photovoltaïque: Une cellule photovoltaïque est capteur constitué d’un matériau semi-conducteur absorbant l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d’absorption du rayonnement

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Chaire annuelle - Année académique 2010-2011

Chaire Développement durable

Environnement, Énergie et Société

P rof. J ean M arie

Tarascon

Amiens

Le photovoltaïque: principes et filières

inorganiques, organiques, hybrides

2 Mars 2011

Énergies renouvelables pour subvenir à la

demande énergétique de 28 TW pour 2050

165000 TW d'énergie solaire

10000 fois plus que notre

consommation actuelle

En 1 h le soleil produit ce

que l'on utilise en un 1 an

Energie Solaire:

Quelques notions d'échelle

2

Panneaux solaires à 10% d'efficacité

170000 Km

2 pour 17TW

Couvrir ¼ de la surface de la France

F. Shuman: 1913"Il y a une chose dont je suis sûr; si l'Homme n'apprend pas a canaliser la puissance du soleil, il finira par retourner a la barbarie".

Production dechaleur

50-200°C

500Ͳ3000°C

Thermique solaire

(Conversions

Solaire - Mécanique

- Électrique

Production de biocarburants, H

2

Production de H

2 par photo-électrolyse CO 2 sugar H 2 O O 2 ,H 2

NCONCH

3 NNNN HHH

Photosynthèse naturelle

CO 2H 2 ,CH 4 CH 3 OH

Photosynthèse artificielle

Cellules photovoltaïques

inorganiques, organiques et à colorants

Production d'électricité

e h pͲn junction solar cell DiffDifféérents moyens drents moyens d''utiliser lutiliser l'é'énergie nergie solaire solaire

With the courtesy of F. Sauvage

Différentes cellules photovoltaïque et

différents acteurs

Cellules à Colorant3

ème

génération 8%

Couches mincesSi Cristallin1

ère

génération2

ème

génération

14%10%

၎SONY ၎AISHIN ၎SHARP ၎FUJIKURA ၎G24i(Wales) ၎3GSola(il) and so on၎၎

NSHARP

၎KYOCERA ၎SANYO ၎MITSUBISHI ၎Q-Cells (DE) ၎SUNTEC (CN ၎FIRST SOLAR(US) ၎HONDA ၎SHARP ၎KANEKA

Cellule organique plastique

၎KONARKA 4

ème

génération 3%

La filière Si et ses dérivés

basée sur la jonction P-N

Le photovoltaïque:

Plan de l'exposé

La filière cellules à colorants ou

cellules de Graëtzel (photosynthèse..)(inspiration de la photosynthèse)

Cellules organiques basées

sur la jonction du type P-N

Histoire et principes de base

18391839

: D: Déécouverte de lcouverte de l''effet photovoltaeffet photovoltaïïque par le physicien franque par le physicien franççaisais

A. Becquerel

A. Becquerel

1875

1875: : Werner Von SiemensWerner Von Siemensddéécrit lcrit l''effet photovoltaeffet photovoltaïïque dans les que dans les

semi

semi--conducteurs. Le phconducteurs. Le phéénomnomèène reste cependant une curiositne reste cependant une curiositéé

de laboratoire pour plusieurs d de laboratoire pour plusieurs déécennies cennies

19541954

: Mise au point de la premi: Mise au point de la premièère cellule photovoltare cellule photovoltaïïque que ààhaut haut

rendement (6%) par chercheurs am

rendement (6%) par chercheurs amééricains, ricains, ChapinChapin, Pearson et Prince, Pearson et Prince. .

19581958

: Une cellule avec un rendement de 9: Une cellule avec un rendement de 9% est mise au point. Les % est mise au point. Les

premiers satellites aliment

premiers satellites alimentéés par des cellules solaires sont envoys par des cellules solaires sont envoyéés s

dans l dans l''espaceespace

1960 --

... Cellules Si (cristallin, amorphe,), Cellule à colorants, organiques ...

Historique du photovoltaïque

Retour aux fondamentaux:

Spectre solaire

Maximum Maximum dd'é'énergienergiesolairesolaire localis localisééentreentre300 nm et 3000 nm300 nm et 3000 nm

Radiation solaire extérieure

à l'atmosphère

Radiation du corps

noir à 5900K

Radiation solaire

un niveau de la mer

UVVisibleIR

1.55 eV

3.01 eV

Semi-conducteur

Bande de

conductionBande de conductionBande de conduction

Bande de

valenceBande de valenceBande de valence E

Métal=conducteur Isolant

Bandgap

Eg

Bande de

conductionBande de conductionBande de conduction

Bande de

valenceBande de valenceBande de valence E

Métal=conducteur Isolant

Bandgap

Eg

Spectre solaire

ZONE DE DEPLETION+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ Matériau dopé NMatériau dopé PChamp électrique P (e en excès) Al (trous en excés) La jonction P-N à l'origine de l'effet photovoltaïque ZONE DE DEPLETION+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ Matériau dopé NMatériau dopé PChamp électrique ZONE DE DEPLETION+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ -----------------------------------------ZONE DE DEPLETION+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ Matériau dopé NMatériau dopé PChamp électriqueChamp électrique P (e en excès) Al (Trous en excès) Si

Photons E>E

g permettent la génération de paires électrons-trous

La jonction P-N à l'origine de l'effet

photovoltaïque E g du Si (m) W.cm -2 .mm -1

Radiance

W.cm -2 .mm -1

Radiance

A B

Exploitation du spectre solaire

Eg Si = 1,12 eVEg Si = 1,12 eV

1010
2 10 3 10 4 10 5 (cm -1 h (eV)

Coefficient d'absorption

Épaisseur de la couchesemi-conductrice

Retour aux fondamentaux:

Spectre solaire

Eh

Domaine

utilisé

Conducteur

Matériau P

Matériau N

Grille conductrice

Revêtements anti-reflets

Verre

Jonction p-n

Schématique d'assemblage d'une

cellule photovoltaïque Si. I SC V OC (A)

Surface

de la cellule

Énergie Lumineuse incidente

= 1000W/m 2 P IN

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.10.5

0.2 0.4 0.3

I (mA)

U (V)

Énergie

Électrique

produite

Caractéristique courant-tension d'une cellule

photovoltaïque sous éclairage

Sous illumination

I max V max P max (B) en % = Rendement de conversion en puissance "Rendement défini pour un spectre lumineux et une intensité donnée" 0.0 = Puissance max délivrée/Puissance lumineuse incidente = =I SC ×V OC

×ff/P

IN = Facteur de forme ff= V max x I max (B) V OC x I SC (A) P max P IN

La filière Si et ses dérivés

basée sur la jonction P-N

Le photovoltaïque:

Plan de l'exposé

La filière cellules à colorants ou

cellules de Graetzel (photosynthèse..)(inspiration de la photosynthèse)

Cellules organiques basées

sur la jonction du type P-N

Histoire et principes de base

Bandgap : ~1,1eV à température ambiante

Coefficient optique d'absorption Į= 100 cm

-1 microns pour absorber la majorité de la lumière incidente.Existe sous forme de silice ou silicates Silicium utilisé ne nécessite pas une pureté aussi poussée que pour la microélectronique. Silicium cristallin fourni par industrie microélectronique

Le silicium: Quelques caractéristiques

IVB Li

Lithium

6.941 3

0.534180.50.98

Si

Silicium

28.08
14 2.33 3S 2 3P 2 Li

Lithium

6.941 3 0.534

180.50.98

Si

Silicium

28.08
14 2.33 3S 2 3P 2

Plus abondant dans la couche

terrestre après l'oxygène (28%)

Silicium monocristallin

Cellules photovoltaïques au

silicium monocristallin du silicium en fusion puis retiré en rotation du bain de rotation et des gradients T

Silicium pSilicium n

Silicium p

Contact arrière aluminium

contacts Ag

Cellule classique

former une zone dopée p résistance avec Si importante

La grille d'argent imprimée restreint le

rendement à environ 14%28%

Cellule solaire UNSW

Rendement 16%

Limitation résistance avec grille

M.A.Green & al.,Technical Digest of the Internationnal PVSEC, 1994, pp.391-394

Cellules photovoltaïques au Si

amélioration du rendement Cellule solaire " PERL »(passivated emitter rear locally diffused) 2 passivation de la couche arrière + meilleure réflection lumière qu'aluminium

Petites surfaces : rendement > 24%

30x30 cm : rendement > 20%

Optimisation contact arrière

Rendement en moyenne 2-3% inférieurs au monocristallin

55% du marché du photovoltaïque et en forte augmentationFormation de lingots de silicium à partir de silicium fondu

Considéré plus esthétique que monocristallin

Cellules photovoltaïques à base de

Si polycristallin: amélioration

Coûts de production= 80% du Si mono

Possibilité de travailler sur couches

minces de quelques micronsCVD (chemical vapour deposition) de SiH 4 Silicium amorphe hydrogéné, ĮSi:H alliage de silicium et d'hydrogène (5-20 % H )

Silicium amorphe hydrogéné:

bandgap = 1,7 eV (Si crist. 1,1 eV )

Coefficient d'absorption optique: >10

5 cm -1

Cellule en laboratoire >12% rendement

mais après exposition plusieurs mois au soleil le rendement chute à 4-5%

Cellules photovoltaïques à base de

Si amorphe

Jonctionsimple~ 9 %

Jonctiondouble~ 12 %

Jonctiontriple~ 13 %

Record de puissance pour le silicium amorphe avec cellule record à 13% rendement

Procédé multicouches

Alliage avec Ge = band-gap

Alliage avec C = band-gap

Cellules multicouches à base de Si amorphe

Modules photovoltaïques flexibles et

légers à base de Si amorphe TCO TCO n-type c-Si p-type ĮSi:H n-type ĮSi:H i layer ĮSi:H i layer ĮSi:H

200µm

20 nm10 nm

contacts contacts

Technical Digest),Jeju, Korea 2001, pp.289-290

Si amorphe déposé de part et d'autre

d'une couche de Si monocristallin

Rendement sur 10x10 cm : >21%>21%

Rendement sur 80x120 cm:

18,4 %18,4 %

Procédé basse température:

Intérêts de cette structure:

Cellule HIT

(hétérojonction à couche mince intrinsèque) Sanyoquotesdbs_dbs16.pdfusesText_22