Présentation
Auteur(s)
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Jean-Claude MULLER : Membre du Programme interdisciplinaire énergie du CNRS - Institut d’électronique du solide et des systèmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le secteur des composants opto-électroniques qui se développe le plus rapidement est, sans conteste, celui du photovoltaïque (PV), pour une production d’électricité basée sur la conversion de la lumière du soleil.
Le but de ce premier dossier est de donner au lecteur un minimum de connaissance des principes de la conversion photovoltaïque. Dans le premier paragraphe, quelques notions relatives à l’énergie transmise par le soleil hors atmosphère (considéré comme un corps noir) et au niveau du sol sont données. Dans le deuxième paragraphe, on présente en termes simples quelques éléments de physique des semi-conducteurs incluant les modèles de schéma de bandes, les formules de base qui régissent la répartition des électrons à l’équilibre thermodynamique et les mécanismes de la conduction électrique. Les paragraphes 3 et 4 décrivent les caractéristiques électriques fondamentales (tension, courant et rendement de conversion) du dispositif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant (convertisseur lumière-électricité).
Ce dossier se termine par une application pratique : on évaluera rapidement le dimensionnement d’une installation photovoltaïque à partir des données d’ensoleillement de la région pour une habitation individuelle afin de satisfaire les besoins en énergie électrique d’une famille de quatre personnes.
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- Version courante de janv. 2013 par Abdelilah SLAOUI
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Caractéristiques I-V et réponse spectrale2. Physique du composant photovoltaïque
L’objectif de cette section est de présenter en termes simples quelques éléments du modèle physique du schéma de bandes dans les semi-conducteurs cristallins et de donner les formules de base qui régissent la répartition des électrons à l’équilibre thermodynamique et les mécanismes de la conduction électrique. Pour plus de détails sur cette partie, qui relève de la physique quantique des solides, on se référera à l’ouvrage d’Alain Ricaud sur les Photopiles solaires, ainsi que l’ouvrage de Physique de l’état solide de Kittel .
2.1 Électrons dans un potentiel périodique, schéma de bandes
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Dans un cristal où les atomes sont liés à leurs proches voisins, il faut faire appel à la solution de l’équation de Schrödinger, proposée par Bloch en 1928, pour expliquer l’existence de bandes d’énergies permises séparées par une bande d’énergie interdite.
Pour ne pas rentrer dans des détails qui relèvent de la physique quantique des solides, il est suffisant de retenir qu’il existe une bande supérieure permise pour les électrons d’énergie (E) en fonction du vecteur d’onde (k) de l’onde électromagnétique associée au photon :
k = 2π /λLa bande permise pour les électrons d’énergie (E) est appellée bande de conduction (Ec) avec des minimums d’énergie permise. La bande inférieure...
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