Dans cette partie consacrée à la constitution d’un panneau solaire, nous présentons quelques rappels sur les principes de l’effet photovoltaïque et de sa mise en oeuvre technologique élémentaire dans la cellule solaire. Puis nous présentons le panneau solaire en développant les différents aspects concernant sa constitution.
1 Les cellules solaires
1.1 Historique
La cellule solaire est l'élément de base des panneaux solaires qui produisent de l’électricité. Une cellule solaire (ou bien une cellule photovoltaïque) est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l’électricité, cet effet est appelé l’effet photovoltaïque, qui a été découverte par le français Edmond Becquerel en 1839. Ce n’est qu’en 1954 que les laboratoires BELL mettent au point une cellule au silicium capable de convertir directement en électricité l’énergie solaire avec un rendement de 6%. En 1958, les cellules photovoltaïques trouvent une place dans l'industrie avec l'industrie spatiale américaine qui utilisera des cellules ayant un rendement de 9% pour alimenter ses satellites.
Cependant, au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et même est devenue familière des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompes et réfrigérateurs solaires.
Mais la technologie photovoltaïque ne connaît son véritable essor qu'à la fin des années 90 avec l'avènement de la connexion au réseau, technologie qui permet d'injecter sur le réseau public d'électricité, l'énergie produite par un générateur photovoltaïque et convertie par un onduleur en courant alternatif. La recherche est très active dans le domaine du solaire photovoltaïque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent. En 20 ans, les rendements sont passés de 15% à 36% dans les laboratoires. Ce dernier chiffre serait celui atteint sur Terre par les cellules solaires utilisées par les robots martiens. Les rendements des systèmes disponibles commercialement sont quant à eux passés de 5% à plus de 20%. Les cellule solaires, ou générateur solaire, sont désormais à la base de la partie alimentation embarquée sur les satellites qui gravitent autour de la terre.
1.2 Description
Un cristal semi-conducteur dopé P est recouvert d’une zone très mince dopée N et d’épaisseur e égale à quelques millièmes de mm. Entre les deux zones se trouve une jonction J. La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode k tandis qu’une plaque métallique a recouvre l’autre face du cristal et joue le rôle d’anode. L’épaisseur totale du cristal est de l’ordre du mm.
Figure 1 : Vue en coupe d’une cellule photovoltaïque
Un rayon lumineux qui frappe le dispositif peut pénétrer dans le cristal au travers de la grille et provoquer l’apparition d’une tension entre la cathode et l’anode.
1.3 Principe de fonctionnement
L'effet photovoltaïque est la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique, ce qui met en jeu trois phénomènes physiques, intimement liés et simultanés :
- l’absorption de la lumière dans le matériau
- le transfert d’énergie des photons aux particules chargées électriquement
- la collecte des charges
a) L’absorption de la lumière
La lumière se compose de photons. Ceux-ci peuvent pénétrer dans certaines matières, et même passer au travers. Plus généralement, un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir principalement trois évènements optiques qui sont :
- la réflexion, auquel cas la lumière est renvoyée par la surface de l’objet
- la transmission, où cette fois la lumière traverse l’objet
- l’absorption, où ici la lumière pénètre dans l’objet et n’en ressort pas, l’énergie est restituée sous une autre forme, à savoir généralement sous forme thermique.
Dans un matériau photovoltaïque, une partie du flux lumineux absorbé sera restitué sous forme d'énergie électrique. Il faut donc au départ que le matériau ait la capacité d'absorber la lumière visible, puisque ce que l'on cherche à convertir, c'est la lumière du soleil.
b) Le transfert d’énergie des photons aux particules chargées électriquement
L'énergie lumineuse peut être convertie en énergie électrique. Les charges élémentaires qui vont produire le courant électrique sous illumination sont les électrons, particules élémentaires chargées négativement. Les photons vont absorber leur énergie aux électrons des couches électroniques périphériques, ce qui leur permet de se libérer de l'attraction de leur noyau, c'est l'effet photoélectrique. Plus généralement, l'effet photoélectrique (émission d'électrons par un métal sous l'action de radiations lumineuses) recouvre plusieurs phénomènes d'interactions de la lumière et de la matière, où des photons cèdent leur énergie à des électrons. Les électrons libérés sont susceptibles de produire un courant électrique si on les attire ensuite vers l'extérieur pour les faire circuler dans un circuit.
c) La collecte des charges
Les cellules photovoltaïques sont constituées de matériaux semi-conducteurs (généralement silicium) qui transforment directement la lumière du rayonnement solaire en énergie électrique. Les particules de lumière (photons) viennent heurter les électrons sur le silicium et lui communiquent leur énergie. Le silicium est dopé de manière à jouer le rôle de clapet anti-retour (diode) d'électricité et ainsi à diriger tous les électrons dans le même sens. Une tension apparaît donc en présence de lumière aux bornes de la cellule. Si l'on ferme le circuit à l'aide d'une lampe, d'un moteur, etc., le courant peut circuler. La tension est peu variable alors que le courant est quasi proportionnel à la lumière reçue. L’intensité maximum du courant produit dépend de la surface de la cellule et de la valeur de l’éclairement (Figure 2) : pour la courbe a ci-dessous l’éclairement était plus élevé que pour les courbes b et c. La tension produite par la cellule dépend peu de l’éclairement mais diminue de façon sensible lorsque la température augmente. La courbe c a été relevée à une température plus élevée que celle de la courbe b.
Figure 2 : Influence de la température et de l’éclairement
1.4 Les différentes technologies
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel. D'autres matériaux sont utilisés : tellurure de cadmium, arséniure de gallium, diséléniure de cuivre et d'indium (CIS). Ces technologies sont encore très coûteuses mais elles laissent espérer des rendements bien supérieurs au silicium et une durée de vie plus grande. La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner pendant plus de dix ans pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.
Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellule sont décrites dans les 3 paragraphes suivants.
1.4.1 Cellule en silicium amorphe
Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres.
* Avantages
•Fonctionnement avec un éclairement faible.
•Moins chères que les autres.
* Inconvénients
• Rendement faible en plein soleil (environ 6%)
• Performances diminuent sensiblement avec le temps.
1.4.2 cellules en silicium monocristallin
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.
- Avantage:
• Très bon rendement ( 7.2%).
- Inconvénients :
• Coût élevé,
• Rendement faible sous un faible éclairement.
1.4.3 cellule en silicium polycristallin
Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.
- Avantage :
• Bon rendement (13%), mais cependant moins bon que pour le monocristallin.
• Moins cher que le monocristallin.
- Inconvénient :
• Les mêmes que le monocristallin.
Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix). Les cellules utilisées dans ce projet proviennent de la société Photowatt. Il s’agit de cellules en silicium amorphe. La face négative supérieure est recouverte d’un réseau de peignes collecteurs (Figure 3). Elle est recouverte d’une couche anti-reflet en SIN (Nitrure de Silicium) afin d’augmenter le rendement photovoltaïque (jusqu‘à 15%) en piégeant un maximum de lumière. La face arrière positive est en aluminium pour améliorer le captage de la lumière.
Figure 3 : Cellule photovoltaïque
2 Panneau solaire
Un panneau solaire est un dispositif qui permet de produire de l'électricité à partir de la lumière. Un panneau solaire est à la base de la partie alimentation embarquée sur les satellites qui gravitent autour de la terre.
2.1 Principe
La cellule photovoltaïque élémentaire produit un courant continu dont la puissance dépend de la surface de la cellule et la tension à vide est d’environ 0.5 à 0.6 volts. En effet, une cellule solaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension très faible par principe, puis qu’il s’agit d’une tension de jonction, donc une cellule solaire constitue un générateur électrique de très faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications. Les générateurs solaires sont, par conséquent, réalisés par association d’un grand nombre de cellules photovoltaïques élémentaires reliées entre elles en série ou en parallèles.
Figure 4: Association des cellules solaires
Compte tenu d'un rendement d'environ 10%, la puissance crête d'un panneau photovoltaïque est de l'ordre de 100 à 180 watts par mètre carré. L'énergie captée par un module dépend de la surface du panneau mais aussi de la latitude et de l'ensoleillement du lieu où il se trouve.
Plusieurs cellules photovoltaïques, produisant environ 0,5 volts, doivent être connectées entre elles afin de fournir au récepteur extérieur une tension et une puissance adéquates. Les connexions en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant pour une même tension. Un panneau solaire représente 10% de la masse d’un satellite. Les cellules solaires sont assemblées en modules identiques formant un réseau série- parallèle.
Les chaînes de cellules sont arrangées de telle manière à ce que les moments magnétiques du string soient compensés. Le nombre de cellules dépend de la puissance électrique requise, de la température des cellules et de leur dégradation subie en orbite.
2.2 Exemple
La figure 5 représente un coupon de dix cellules solaires fabriqué au CNES. Ses dimensions sont de 0.66 m par 0.44 m pour une épaisseur de 1 mm environ. Les 10 cellules (2 rangées de 5) ont une dimension individuelle de 50 par 50 mm ce qui fait une surface totale de silicium de 0.025 m2. Ces cellules sont reliées en série entre elles sur une plaque d’époxy. Un cadre en fibres de carbone formant le panneau comporte plusieurs compartiments. Un support nervuré reçoit les cellules solaires préalablement raccordées et collées sur un substrat souple en kapton renforcé en fibres de carbone.
Figure 5 : Coupon de dix cellules solaires
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