Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La production d'électricité photovoltaïque est fonction de la source primaire d'énergie, du dispositif de conversion, ainsi que des autres éléments constituant la cellule photovoltaïque. Cette cellule est la brique de base des modules et panneaux solaires constituant la partie production d'énergie du système photovoltaïque. Mais il faut aussi replacer la cellule dans un module, puis dans un panneau, et intégrer le tout dans un système complet de production d'énergie. Pour conclure, le marché du secteur photovoltaïque est présenté avec ses principales caractéristiques.
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The production of photovoltaic electricity depends on the primary source of energy, the conversion device as well as on the other components of the solar cell. This cell is the building block of solar modules and panels which are responsible for the production of energy in the photovoltaic systems. This cell must also be placed into a module and then into a panel and all this must be integrated into a complete system of energy production. to conclude, the market of the photovoltaic sector is presented along with its principal characteristics.
Auteur(s)
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Pierre-Eymeric JANOLIN : Maître de conférences - Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides UMR CNRS-École Centrale Paris
INTRODUCTION
La révolution industrielle a changé le monde ; non seulement l'économie mais aussi nos vies de tous les jours. L'utilisation croissante d'énergies alternatives est en train de changer le monde de la même façon. Qu'on l'appelle la révolution verte, la transition écologique, le recours aux sources alternatives d'énergie ou le sens de l'Histoire ne change pas le fait que nous sommes entrés dans un nouveau monde.
La consommation d'énergie a augmenté plus vite que la population lors des quarante dernières années et cette progression devrait s'accélérer durant la première moitié du XXI e siècle en raison de la croissance en Chine et en Inde. Deux solutions existent : la modération de la consommation et l'utilisation de nouvelles sources d'énergie.
Ces sources alternatives d'énergie doivent toutefois satisfaire à un nouvel impératif : ne pas contribuer au réchauffement climatique. Parmi ces énergies, on distingue généralement le nucléaire des autres sources d'énergie : éolienne, biomasse, hydraulique, solaire (thermique et photovoltaïque) et géothermique.
L'énergie photovoltaïque est une de ces sources alternatives d'énergie et, malgré sa contribution jusqu'à maintenant modeste, elle est appelée à devenir une des sources majeures d'énergie du futur. L'énergie photovoltaïque a déjà à son actif de grandes réussites. En effet, elle a apporté l'énergie nécessaire à la conquête spatiale ; sans énergie photovoltaïque, pas de station spatiale internationale, pas de Rover Spirit ou Opportunity sur Mars.
Mais le secteur de l'énergie photovoltaïque est également une activité de haute technologie, changeant rapidement dans un marché à forte croissance et qui requiert, en plus de fortes compétences scientifiques et techniques, de prendre en compte les aspects législatifs, politiques et sociétaux. Il représente donc un fantastique champ d'opportunité pour les ingénieurs du XXI e siècle.
Afin de pouvoir contribuer de façon significative à son développement, il est nécessaire de partir de la source de cette énergie, le Soleil, et de considérer les facteurs déterminant le potentiel au sol correspondant. La première partie de cet article y sera consacrée. Cette énergie doit ensuite être convertie en électricité au moyen d'une cellule photovoltaïque.
La deuxième partie sera donc consacrée à l'étude de la cellule photovoltaïque, cœur du dispositif de conversion. Afin de comprendre le fonctionnement et les paramètres régissant les performances de cette conversion, on débutera par un rappel de la physique des semi-conducteurs. On abordera ensuite l'absorption de la lumière par un semi-conducteur et la conversion photovoltaïque assurée par une jonction pn. Des informations concernant les matériaux constituant ces jonctions pn dans les dispositifs photovoltaïques seront ensuite données ; sur le silicium, bien sûr, mais aussi sur des matériaux moins couramment utilisés, sous forme massive comme sous forme de couches minces. Cette deuxième partie finira sur les technologies relatives aux différents éléments qui constituent, en plus de la jonction pn, une cellule photovoltaïque.
La troisième partie sera consacrée aux changements d'échelles puisque l'on abordera les thématiques reliées à l'intégration de cellules au sein d'un module puis d'un panneau ainsi que celles reliées à l'intégration de panneaux à un système complet.
La dernière partie présentera un rapide panorama du marché du secteur photovoltaïque ainsi que ses principales caractéristiques.
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MOTS-CLÉS
semi-conducteur cellules photovoltaïques jonctions pn conversion photovoltaïque Energies renouvelables électricité photovoltaïque
KEYWORDS
semiconductor | solar cells | pn junctions | photovoltaic conversion | renewable energy | photovoltaïc electricity
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Présentation
Du panneau au marché
En anglais
3. De la cellule au panneau
Une cellule photovoltaïque produit typiquement quelques watts. Afin d'augmenter la puissance délivrée, plusieurs cellules photovoltaïques sont connectées en réseau et forment des modules. Ces modules sont ensuite connectés les uns aux autres pour former des panneaux.
3.1 Des cellules au module
La tension de court-circuit d'une jonction pn est de l'ordre de la valeur du gap divisé par la charge de l'électron, soit de l'ordre du volt. La puissance maximale issue d'une cellule de 1 cm de côté avec un rendement de 20 % dans les conditions standard est d'environ 5 W. Ainsi le courant délivré par une cellule est de l'ordre de quelques ampères.
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La mise en série de cellules photovoltaïques répond à la nécessité d'augmenter la tension jusqu'à des niveaux utilisables en fonction de l'application. L'inconvénient d'une telle disposition est que les performances de l'ensemble sont soumises à celles du plus mauvais élément. Il est ainsi nécessaire de tester chaque cellule afin de vérifier le courant qu'elle délivre et d'appairer les cellules présentant des performances équivalentes. De plus, un système de diode de bypass permet de laisser passer le courant qui ne pourrait plus passer dans une des cellules en raison de sa défaillance. Cela permet d'augmenter les durées de vie des modules.
Pour donner un ordre de grandeur, une cellule au silicium cristallin fournit environ 0,5 V et si la charge électrique alimentée par le panneau est de 12 V, en considérant les pertes dues au câblage et contacts qui imposent d'augmenter la tension délivrée par l'ensemble des cellules, on arrive à 32 cellules pour un module de 12 V. Ces modules, ainsi que ceux de 24 V ont longtemps été les plus courants. Néanmoins, depuis les années 2000, de plus en plus de panneaux solaires sont reliés directement au réseau électrique. La tension maximale visée est alors d'environ 600 V. Le nombre de cellules par module a donc significativement augmenté.
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De la cellule au panneau
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WEINERT (H.) et al - * - Phys. Stat. Sol. (b), 81, K59 (1977).
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(2) - NEUMANN (H.) et al - * - Phys. Stat. Sol. (b), 108, p. 483 (1981).
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(3) - SCHROEDER (D.), ROCKETT (A.) - * - J. Appl. Phys., 82, p. 4982-4985 (1997).
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(4) - ADACHI (S.) - Properties of semiconductors alloys : group-IV, III-V and II-VI semiconductors. - Wiley éd. (2009).
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(5) - STREETMAN (B.G.) - Solid state electronic devices. - Prentice-Hall (1980).
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(6) - WU (X.) et al - * - Proc. 26th IEEE PV Spec. Conf., p. 307 (1997).
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(7) - CHU, MAJUMDAR - * - Nature,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Département pour l'énergie des États-Unis http://www.eere.energy.gov/basics/renewable_energy/solar.html
The Photovoltaic education network http://www.pveducation.org/
Dépendence en température des mobilités des porteurs de charge https://www.colorado.edu/ecee/
Calendrier des foires et expositions consacrées au photovoltaïque http://www.foiresinfo.fr/Foires-de-photovoltaque-Y285-S1.html
HAUT DE PAGE
Salon virtuel dédié au photovoltaïque
European Photovoltaic Solar Energy Conference http://www.photovoltaic-conference.com/
Salon des énergies renouvelables (ENR) http://www.bepositive-events.com/enr
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NF C57-310 AFNOR (1988), Transformation directe de l'énergie solaire en énergie électrique – Système photovoltaïque de pompage – Caractéristiques...
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