Photovoltaïque: l'électricité solaire et les cellules solaires en théorie et en pratique
Aug 28, 2015

Le mot   Photovoltaïque   Est une combinaison du mot grec pour Light et le nom du physicien Allesandro Volta. Il identifie la conversion directe de la lumière du soleil en énergie au moyen de cellules solaires. Le processus de conversion est basé sur l'effet photoélectrique découvert par Alexander Bequerel en 1839. L'effet photoélectrique décrit la libération de porteurs de charge positive et négative à l'état solide lorsque la lumière frappe sa surface.

Comment fonctionne une cellule solaire?

Les cellules solaires sont composées de divers matériaux semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont des matériaux qui deviennent électriquement conducteurs lorsqu'ils sont alimentés en lumière ou en chaleur, mais qui fonctionnent comme isolateurs à basse température.

Plus de 95% de toutes les cellules solaires produites dans le monde entier sont composées du matériau semi-conducteur Silicon (Si). En tant que deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre, le silicium a l'avantage, d'être disponible en quantité suffisante, et en outre, le traitement du matériau ne surpasse pas l'environnement. Pour produire une cellule solaire, le semiconducteur est contaminé ou "dopé". Le «dopage» est l'introduction intentionnelle d'éléments chimiques, avec lesquels on peut obtenir un surplus de porteurs de charge positive (couche semiconductrice conductrice de p) ou de supports de charge négatifs (couche semi-conductrice conductrice de n) à partir du matériau semiconducteur. Si deux couches semi-conductrices contaminées différemment sont combinées, alors on appelle une dérivation pn sur la limite des couches.

  • Modèle d'une cellule solaire cristalline

À cette jonction, on construit un champ électrique intérieur qui conduit à la séparation des porteurs de charge libérés par la lumière. Grâce à des contacts métalliques, une charge électrique peut être utilisée. Si le circuit externe est fermé, ce qui signifie qu'un consommateur est connecté, puis les flux de courant continu.

Les cellules de silicium ont une longueur d'environ 10 cm sur 10 cm (récemment aussi 15 cm sur 15 cm). Un film transparent antireflet protège la cellule et diminue la perte réfléchissante sur la surface de la cellule.

Caractéristiques d'une cellule solaire

  • Ligne de courant-tension d'une cellule si-solaire

La tension utile des cellules solaires dépend du matériau semi-conducteur. En silicium, il s'élève à environ 0,5 V. La tension des bornes n'est que faiblement dépendant du rayonnement lumineux, tandis que l'intensité du courant augmente avec une luminosité plus élevée. Une cellule de silicium de 100 cm², par exemple, atteint une intensité de courant maximum d'environ 2 A lorsqu'il est rayonné de 1000 W / m².

La sortie (produit de l'électricité et de la tension) d'une cellule solaire dépend de la température. Des températures plus élevées conduisent à une diminution de la production et donc à une réduction de l'efficacité. Le niveau d'efficacité indique la quantité de lumière rayonnée convertie en énergie électrique utilisable.

Différents types de cellules

On peut distinguer trois types de cellules selon le type de cristal: monocristallin, polycristallin et amorphe. Pour produire une cellule de silicium monocristallin, un matériau semi-conducteur absolument nécessaire est nécessaire. Les tiges monocristallines sont extraites du silicium fondu puis sciées en fines plaques. Ce processus de production garantit un niveau d'efficacité relativement élevé.  
La production de cellules polycristallines est plus rentable. Dans ce procédé, le silicium liquide est versé dans des blocs qui sont ensuite sciés dans des plaques. Au cours de la solidification du matériau, des structures cristallines de différentes tailles sont formées, dont les défauts apparaissent. En raison de ce défaut de cristal, la cellule solaire est moins efficace.  
Si un film de silicium est déposé sur un verre ou un autre matériau de substrat, il s'agit d'une cellule appelée cellule amorphe ou mince. L'épaisseur de la couche est inférieure à 1 μm (épaisseur des cheveux humains: 50 à 100 μm), de sorte que les coûts de production sont inférieurs en raison des faibles coûts de matériaux. Cependant, l'efficacité des cellules amorphes est beaucoup plus faible que celle des deux autres types de cellules. Pour cette raison, ils sont principalement utilisés dans les équipements de faible puissance (montres, calculatrices de poche) ou comme éléments de façade.

Matériel

Niveau d'efficacité en% laboratoire

Niveau d'efficacité en% de production

Silicone monocristallin

environ. 24

14 à 17

Silicium polycristallin

environ. 18

13 à 15

Silicium amorphe

environ. 13

5 à 7

De la cellule au module

Afin de rendre les tensions et les sorties appropriées disponibles pour différentes applications, les cellules solaires individuelles sont interconnectées pour former des unités plus grandes. Les cellules connectées en série ont une tension plus élevée, tandis que celles connectées en parallèle produisent plus de courant électrique. Les cellules solaires interconnectées sont habituellement intégrées dans un éthyl-acétate de vinyle transparent, équipé d'un cadre en aluminium ou en acier inoxydable et recouvert de verre transparent sur le côté avant.

Les valeurs de puissance typiques de ces modules solaires sont entre 10 Wpeak et 100 Wpeak. Les données caractéristiques se rapportent aux conditions d'essai standard du rayonnement solaire de 1000 W / m² à une température de 25 ° Celsius. La garantie standard du fabricant de dix ans ou plus est assez longue et montre les normes de qualité élevées et l'espérance de vie des produits d'aujourd'hui.

Limites naturelles de l'efficacité

  • Niveaux théoriques maximaux d'efficacité de diverses cellules solaires aux conditions standard

En plus d'optimiser les processus de production, des travaux sont également réalisés pour augmenter le niveau d'efficacité afin de réduire les coûts des cellules solaires. Cependant, différents mécanismes de perte mettent des limites sur ces plans. Fondamentalement, les différents matériaux semi-conducteurs ou combinaisons ne conviennent que pour des plages spectrales spécifiques. Par conséquent, une partie spécifique de l'énergie rayonnante ne peut pas être utilisée, car les quanta de lumière (photons) n'ont pas assez d'énergie pour "activer" les porteurs de charge. En revanche, une certaine quantité d'énergie photonique excédentaire est transformée en chaleur plutôt qu'en énergie électrique. En plus de cela, il existe des pertes optiques, telles que l'apparition de la surface de la cellule par contact avec la surface du verre ou la réflexion des rayons entrants sur la surface de la cellule. D'autres mécanismes de perte sont des pertes de résistance électrique dans le semi-conducteur et le câble de connexion. L'influence perturbatrice de la contamination des matériaux, des effets de surface et des défauts des cristaux, cependant, est également significative.  
Mécanismes à perte unique (les photons avec trop peu d'énergie ne sont pas absorbés, l'énergie photonique excédentaire est transformée en chaleur) ne peut être améliorée en raison des limites physiques inhérentes imposées par les matériaux eux-mêmes. Cela conduit à un niveau d'efficacité maximum théorique, soit environ 28% pour le silicium cristallin.

Nouvelles orientations

Structure de surface pour réduire la perte de réflexion : par exemple, la construction de la surface de la cellule dans une structure pyramidale, de sorte que la lumière entrante frappe la surface à plusieurs reprises. Nouveau matériel: par exemple, l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (CdTe) ou le séléniure d'indium de cuivre (CuInSe²).

Cellules en tandem ou empilées : pour pouvoir utiliser un large spectre de rayonnement, différents matériaux semi-conducteurs, adaptés à différentes plages spectrales, seront disposés les uns sur les autres.

Cellules concentratrices   Une intensité lumineuse plus élevée sera axée sur les cellules solaires par l'utilisation de systèmes de miroirs et de lentilles. Ce système suit le soleil, toujours en utilisant des rayonnements directs.

Cellules MIS Inversion Layer:   Le champ électrique intérieur n'est pas produit par une jonction pn, mais par la jonction d'une fine couche d'oxyde à un semi-conducteur.

Cellules Grätzel:   Cellules liquides électrochimiques avec du dioxyde de titane comme électrolytes et colorants pour améliorer l'absorption de la lumière.

Texte et illustrations utilisés avec l'autorisation de la Fondation allemande pour l'énergie solaire (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

Des explications concises et compréhensibles des concepts de base dans le chauffage solaire et le photovoltaïque se trouvent dans notre Lexique solaire.

Des rapports sur la technologie, les affaires et la politique, ainsi que des présentations sur des systèmes et des produits innovants se trouvent dans le magazine Solar

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