installation photovoltaique pour la bébliothéque

7/26/2019 Installation Photovoltaique Pour La Bbliothque

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En vue de lobtention du Diplme dIngnieur dEtat en gnie

mcanique

Option : nergtique

Propos et dirig par : MrMOHELLEBI Hakim.

Prsent par : MEHAL. Ali

KHADRAOUI.Cherif

HAMMADI Cherif

Rpubl ique Algrienne Dmocratique et Populai reM inistre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche

ScientifiqueUniversi tMouloud Mammeri de Ti zi-Ouzou Facultdugnie de la construction Dpartement de gnie mcanique

Anne 2010 /2O11

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REMERCIMENTS

AVANT TOUT ON REMERCIE LE BON DIEU, LE GRAND

SEIGNEUR DAVOIR RENDU POSSIBLE LE PRSENT PROJET DE

FIN DTUDE.

DE MME, IL EST UN DEVOIR DE RENDRE HOMMAGE CEUX

QUI NOUS ONT A ID FA IRE CE MODESTE TRAVA IL.

PARMI EUX :

NOTRE PROMOTEUR MRH MOHELLEBI

TOUT LE PERSONNEL DE BIBLIOTHEQUE DE GENI E

MECANIQUE.

TOUT LE PERSONNEL DE LA STATION

METEOROLOGIQUE DE TIZI OUZOU, EN PARTICULIER

MR. CHIKHI .

ENFIN, LES MEMBRES DE JURY POUR LHONNEUR

QUILS NOUS FONT EN JUGEANT NOTRE TRAVAI L.



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J e ddie ce modeste travail :

A mes chers parents, auxquels je dois tout mon respect et que je ne

remercierai jamais assez pour leurs sacrifices, encouragements,

soutien morale et matr iel pour mener bien mes tudes.

M eH aL A l i

Je ddie ce travail

Tous ceux qui mont aid. J'espre qu'ils trouveront dans ce travail

toute ma reconnaissance.

KHADRAOUI Cherif

Je ddie ce modeste travail :

Mes trs chers parents qui je dois tout, je profite de les remercier pour leur

encouragement, leur aide, le soutien quils mont apportet le sacrifice quils ont

fait pour moi, que Dieu les protge et les entoure de sa bndiction.

HAMMADI Cherif

Nous tenons remercier tous ceux qui ont contribus de prs ou de loin la

ralisation de ce travail.



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Sommaire

Introduction gnrale

Chapitre I : Le gisement solaire

I. Introduction01

II. Donnes gomtriques et astronomiques...01

II.1.Donnes gomtriques..01

II.1.1.Le soleil.01

II.1.2: Mouvement de la terre..01

II.1.3. Mouvement apparent du soleil..02

II.2. Donnes astronomiques..03

II.2.1.Notion de position...03

II.2.1.1. Coordonnes terrestre...03

a. La latitude .03

b. La longitude !..03

c. L"inclinaison du plan #....04

d. L"angle d"incidence $....04

II.2.1.2. Coordonnes quatoriales.....04

a. La dclinaison %...05

b. L"angle horaire &...05

II.2.1.3.Coordonnes horizontales.....05

a. La hauteur de soleil x ou h .....06

b. L"azimut du soleil y........06

III. Donnes nergtiques....06

III.1.Notion de temps06

III.1.1.Temps solaire vrai(TSV).06

III.1.2.Temps solaire moyen(TSM)....07



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III.1.3. Temps universel(TU)..07

III.1.4.Equation du temps ET...07

III.1.5.Temps civil(TC).07

III.1.6.Temps Lgal(TL)...07

III.1.7.Dure du jour..08

III.2.Constante solaire....08

III.3.Caractristique du rayonnement solaire..09

III.3.1.Description..09

III.3.1.1.La lumire..09

III.3.1.2.Dualit onde-particule.....................................................................................09

III.3.1.3.Rpartition spectrale des ondes lectromagntiques10

III.3.1.4.Rayonnement directe, diffus et global..11

III.3.1.4.1.Estimation des diffrents rayonnements (G, D, I) sur une surface

horizontale....12

III.3.1.4.2.Estimation des diffrents rayonnements sur une surface incline.12

III.4.Insolation ..13

III.4.1.Insolation potentielle (thorique) (ss0)...13

III.4.2.Dure d"insolation (SS)..13

III.4.3.Fraction

d"insolation13

III.5.Masse d"air....14

III.6.Appareils de mesures...15

IV.CONCLUSION..17

Chapitre II : installations photovoltaques

I. Introduction..18

II. La cellule photovoltaque..20

II.1. Description..20



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II-2.Ralisation des cellules photovoltaques .....20

II-2-A : Cellules fabriques bas des matriaux solides (silicium) cristalliss...20

II-2-A-1. Processus de fabrication des systmes photovoltaques

base de silicium cristallin..21

II-2-A-1-1.Extraction et laboration de silicium..22

!" De la silice au silicium mtallurgique...22

#" Du silicium mtallurgique au silicium solaire..22

II-2-A-1-2. Cristallisation de silicium et mise en forme des cellules .25

II-2-A-1-3.Fabrication des cellules .28

A) Dcapage ..28

B) Texturation....29

C) Dopage..29

.a-Dopage de type N....29

b-Dopage de type P.....29

D) Dcapage des bords.....31

E) Dpt Antireflet plus passivation.....32

F) Champ face arrire...33

G) Mtallisation.33

K) Test et Tri..33

II-2-B. Les cellules en couches minces......34

II-2-B-1.Processus de fabrication des systmes photovoltaques

base de silicium Amorphe.....35

II-3.Ralisation de module et panneaux photovoltaque37

II-3-A. Montage en srie de cellule identique37

II-3-A-1. Mise en srie des cellules identique.37

II-3-A-2. Mise en srie des cellules non identiques.38

II-3-B. Montage en parallle de cellules..40



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II-3-B-1. Mise en parallle de cellules identiques.40

II-3-B-2.Mise en parallle des cellules diffrentes41

II-3-C: Ralisation et Assemblage des modules et panneaux..45

II-3-C-1 : Ralisation des modules45

II-3-C-1-1 : Ralisation des modules base des cellules au silicium cristallin...45

II-3-C-1-2 : Ralisation des modules base des cellules au silicium amorphe...47

II-3-C-2 : Assemblage des panneaux..48

II-4-Principe de l"effet photovoltaque..48

II-5. Paramtres nergtiques des cellules photovoltaques..50

II-5-1.Caractristique courant-tension...50

II-5-1.1. Courant de court-circuit et tension de circuit ouvert51

II-5-2.Notion de puissance et rendement...52

II-5-3.Dpendance de la puissance vis--vis de la tension de travail55

II-5-4. Dpendance de la puissance vis-- vis de l"clairement.56

II-5-5.Dpendance de la puissance vis--vis de la temprature.57

II-5-6.Influence de l"angle d"incidence..58

II.5.7. Rponse spectrale59

II-5-8.Proprits et caractristiques des cellules photovoltaques.59

II-5-8-1.Proprits des cellules cristallines.59

II-5-8-1-a. Rponse spectrale59

II-5-8-1-b. Performance courant-tension..60

II-5-8-1-C. Influence de l"clairement..60

II-5-8-1-d. Influence de la temprature..61

II.5.8.2. Proprits des cellules au silicium amorphes simple jonction.62

II.5.8.2.a .Absorption optique et Rponse spectrale..62



8/126

II.5.8.2.b. Performance forte clairement.62

II.5.8.2.C. Performance faible clairement..63

II.5.8.2.d. Influence de la temprature64

II.5.9. Paramtres influent le rendement du capteur photovoltaque.64

II.5.9.1. Orientation et inclinaison des modules...64

II.5.9.2. Installation de plusieurs ranges de capteurs en parallles.65

II.5.9.3. Effet masque...65

II.5.9.4. Influence de la latitude66

II.5.9.5. Influence de l"exposition.67

III. Les accumulateurs lectrochimiques.68

III.1.Les batteries au plomb68

III.1.1. Caractristiques des batteries au plomb69

III.2.Batteries au nickel-cadmium...70

II.6.2.1 Caractristiques des Batteries au nickel-cadmium...71

III.3.Association de batteries..72

III.4. Protection de l"accumulateur ..72

IV. Les rgulateurs72

V. Le Convertisseur (onduleur)73

VI. Les diffrentes configurations de systmes photovoltaques73

VI.1.Systme autonomes 'au fil du soleil (..73

VI.2.Systme autonomes avec batterie...74

VI.3.Systme autonomes hybrides......75

VI.4. Systme raccords au rseau .76

VII. Conclusion ....77



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Chapitre III. Conception dun systme photovoltaque

I. Introduction78

II. Les tapes de dimensionnement.79

II.1 Dtermination des besoins de l"utilisateur...79

II.2.Facteurs considrer pour l"estimation de l"nergie solaire rcuprable.80

II.2.a. Orientation et inclinaison des modules ..80

II.2.b. Donnes mtorologiques..82

II.2.c. Ombrage.82

III. Dimensionnement du gnrateur photovoltaque..82

III.1. La puissance crte.82

III.2. Estimation de la production lectrique d"un module...83

III.3. Dtermination du nombre de module ncessaire installer..84

III.4. Dtermination de nombre de module en srie...85

III.5. Dtermination de nombre de branche en parallle85

III.6. Surface total du gnrateur85

IV. Dimensionnement des accumulateurs et du rgulateur...85

IV.1.Dimensionnement de l"accumulateur86

IV.1.a. Capacit utile de stockage.86

IV.1.b. Nombre d"lments batterie en srie..87

IV.1.c. Nombre de branches d"lments en parallle.87

IV.1.d. Nombre total d"lments de batterie..87

IV.2. Dimensionnement du rgulateur87

V. Dimensionnement de la section des cbles....87

V.1.Choix des sections de cble..88

VI. Installation et maintenance d"un systme autonome91VI.1.Montage et entretien des modules...91

VII. Conclusion.....93



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Chapitre IV : prsentation de la bibliothque et dimensionnement de la

bibliothque.

I. Introduction...94

II. Calcul de l"installation photovoltaque.94

II.1. Dtermination des besoins d"utilisations94

II.2. Evaluation de l"nergie solaire rcuprable94

II.2.2. Fraction d"insolation.94

II.2.3.Calcul des diffrents rayonnements ( G,D,I) sur une surface horizontale....96

II.2.4.Calcul des diffrents rayonnements (G, D, I) sur une surface incline....97

III. Dfinition des modules photovoltaques : tension de fonctionnement,

technologie et la puissance totale l"installer ..97

III.1 Estimation de la production lectrique d"un module.98

III.2. Dtermination du nombre de module ncessaire installer...98

III..3. Dtermination de nombre de module en srie...98

III.4. Dtermination de nombre de branche en parallle.98

IV. Surface total du gnrateur...99

V. Dimensionnement de l"accumulateur99

VI. Choix des cbles...100

a) Calcul des courants.100

b)Calcul des sections pour les diffrentes branches...101

VII. Estimation de la production d"un module pendant la saison estival ..102

VII.1. Le gain d"nergie..102

VII.2. estimation du cout de l"installation...103

VIII. Conclusion..104



11/126

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! "#$%&&'('&) *%+#,-' ./(01

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! longitude 8'>-?# inclinaison du plan 8'>-?$ angle d"incidence 8'>-?& angle horaire 8'>-?

% dclinaison 8'>-?

n Numros du jour de l"anne AAAAABTsv temps solaire vrai Heures (h)

$ #C,(;) 8'>-?

D %; E E#;)';- #&>;+#,-' 8'>-?

FG7 F'(H* *%+#,-' (%$'& HeuresIEJ

FK )'(H* ;&,L'-*'+ HeuresIEJ

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12/126

AM Nombre masse d'air AAAAA

, R%;-#&) ^

_G R%;-#&) '


13/126

NG &%(a-' ,' R%&*%((?' H#- P%;- .EpPN &%(a-'*


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Introduction gnrale

La production d'nergie est un dfi de grande importance pour les annes venir. En

effet, les besoins nergtiques des socits industrialises ne cessent d"augmenter. Parailleurs, les pays en voie de dveloppement auront besoin de plus en plus d"nergie pour

mener bien leur dveloppement.

De nos jours, une grande partie de la production mondiale d"nergie est assure partir

de sources fossiles, La consommation de ces sources donne lieu des missions de gaz effet

de serre et donc une augmentation de la pollution, Le danger supplmentaire est qu"une

consommation excessive du stock de ressources naturelles rduit les rserves de ce type

d"nergie de faon dangereuse pour les gnrations futures.

Par nergie renouvelable, on entend des nergies issues du soleil, du vent, de la chaleur

de la terre, de l"eau ou encore de la biomasse, la diffrence des nergies fossiles, les

nergies renouvelables sont des nergies ressource illimite.

Les nergies renouvelables regroupent un certain nombre de filires technologiques selon

la source d"nergie valorise et l"nergie utile obtenue.

L"nergie photovoltaque base sur la transformation directe de l"nergie lumineuse du

soleil en lectricit, se distingue des autres nergies renouvelables par son important potentiel

nergtique, en effet la quantit totale d"nergie reue par le rayonnement solaire au niveau du

sol pendant une semaine dpasse l"nergie productible par l"ensemble des rserves mondiale

de ptrole, de charbon, de gaz et d"uranium.

L"objet de cette tude est de dimensionner une installation photovoltaque afin derpondre aux besoins en nergie lectrique de la bibliothque centrale du ple de hasnaoua II.

Dans le premier chapitre, sont prsents de manire dtaille le gisement solaire et ses

principales caractristiques et variables descriptives. Au second chapitre, sont prsents les

diffrents procds de ralisation des cellules photovoltaques et ses matriaux constitutifs

ainsi que les technologies d"assemblage des cellules et des modules afin d"aboutir auxpanneaux photovoltaques. Les quations lies aux caractristiques lectriques (courant,

tension et puissance) sont galement tablies.

Le troisime chapitre sera consacr la conception des panneaux devant quiper labibliothque tenant compte du site et des besoins associs.



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Le quatrime chapitre traitera du calcul des modules et des puissances associes tenant

compte des besoins et des dures d utilisation des quipements lectriques quipant le local.

Le calcul concernera les priodes hivernale et estivale afin d"apprcier les variations despuissances disponibles.

Enfin, on terminera par une conclusion qui conduira dterminer le prix prvisionneldu kilowattheure solaire.



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Le gisement solai r e ChapitreI

Page 1

5" 5(&6%/78'%( 9 .

Le calcul et le dimensionnement d"un panneau photovoltaque ncessite la

dfinition et la connaissance des facteurs importants caractrisant le gisement solaire.

En effet, l"nergie solaire transforme en nergie lectrique par le panneauphotovoltaque n"est pas constante et dpend fortement du lieu d"implantation et desparamtres constituants les donnes gomtriques, astronomiques et nergtiques, que l"ondtaillera dans ce chapitre.

55" :%((0*) 30%,0&62;7*) *& !)&6%(%,2;7*)9

55"


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Le gisement solair e ChapitreI

Page 2

L"axe des ples n"est pas perpendiculaire l"cliptique : l"quateur et l"cliptique font entreeux un angle appel dclinaison et qui vaut 23+27.les mouvement de la terre autour de son axeet autour du soleil sont schmatiss sur la figure ci-dessous :

Figure I.1 : schmatisation des mouvements de la terre autour du soleil.

II.1.3. mouvement apparent du soleil :

Le mouvement apparent du soleil vu par un observateur fixe en un point de latitude!

au nord de l"quateur est reprsent sur la figure ci-dessous.

Au midi solaire, l"angle que fait la direction du soleil avec la verticale du lieu est gal ( !-%).

La dure du jour est de 12h aux quinoxes, elle est infrieur 12h entre 21 septembre

et 21 mars, suprieure 12h entre le 21 mars et 21 septembre.[2]

Figure I.2 : mouvement apparent du soleil observ dun point de latitude !.



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Page 3

II.2. Donnes astronomiques :

II.2.1.Notion de position :

La position d"un point donne peut tre reprer soit par, coordonnes

terrestres.Coordonnes quatoriales, coordonnes horizontales.

II.2.1.1. Coordonnes terrestre :

On repre un site donn la surface de la terre par deux coordonnes, la latitude et la

longitude !. Not sur la figure L [1]

Figure I.3 position dun point sur terre,

a.la latitude ! :

C"est l"angle form par la verticale d"un lieu donn avec le plan quatorial terrestre.Elle est compte partir de l"quateur de 0*90+, positivement vers le nord et ngativement

vers le sud. ( sur ce shma not ").

Figure I.4 la latitude et la longitude



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Page 4

b.la longitude:

C"est l"angle form par le mridien local du site avec le Mridien de rfrence

(Mridien de Greenwich). ( sur ce shma not L).

c. linclinaison du plan #:

C"est l"angle form entre le plan lui-mme et l"horizontal.

,=0 : pour un plan horizontal tourn vers le haut.

,=90+: pour un plan vertical.

,=180+pour un plan horizontal tourn vers le bas

=2376* I.5 schma qui montre langle dinclinaison dans un panneau photovoltaque

d. langle dincidence $:

C"est l"angle form par le rayonnement incident et la normale la surface du planrcepteur.

II.2.1.2. Coordonnes quatoriales :

Le plan de rfrence est l"quateur cleste, les deux coordonnes utilises sont :la dclinaison%et l"angle horaire &. [5]



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Page 5

Figure I.6 : coordonnes quatorial.

a.la dclinaison %:

C"est l"angle form par la direction du soleil avec le plan quatorial. Cette dclinaison varieau cours de l"anne entre-23,27 et +23,27.Elle est nulle aux quinoxes (21mars et 21septembre), maximale au solstice d"t (21 juin) et minimale au solstice d"hiver(21decembre).la valeur de la dclinaison peut tre calcule par la relation suivante : [2], [5]

%=23,45.sin [0,980. (n-81) '] (I.2)

n: Numros du jour de l"anne.

Les valeurs de n sont donnes dans le tableau ci-dessous :

Mois Ja

n

Fv. Mar Avr. Mai Jui Juil Auo Sep Oct Nov Dec

N+du1er jour

du

mois

0 31 59 90 120 151 181 212 243 273 304 334

Tableau I.1 : Numro du jour de lanne.

b. Langle horaire &:

L"angle horaire du soleil est le dplacement angulaire du soleil autour de l"axe polaire danssa course d"Est en Ouest par rapport au Mridien local. Ou encore c"est l"angle form par le

plan du mridien cleste et la projection de la direction terre/soleil sur le plan de l"quateurcleste, il est strictement proportionnel au temps solaire vrai puisqu"il correspond la rotationuniforme de la terre sur elle-mme, il varie de 15+par heure et exprim par.[2], [6]



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&=15. (Tsv-12) (1.3)

Tsv: temps solaire vrai(en heure)

& : Angle horaire, il est compt positivement l"aprs midi et ngative aprs minuit,(endgre).

II.2.1.3.coordonnes horizontales :

Q9'*) +' -'H?-#>' ;+#,-' d ') +9#C,(;) $u +' H+#&


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Page 7

III. Donnes nergtiques :

Celles-ci sont tablies en introduisant la notion de temps

III.1.Notion de temps :

III.1.1.Temps solaire vrai(TSV) :

C"est le temps donn par les cadrans solaires.il traduit la fois le mouvementde rotation de la terre sur elle-mme et son mouvement autour du soleil. [10]

EFGH


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Page 8

N=789.+:;

45?

@2>

45 (I.13)

III.2.Constante solaire :

La valeur du flux de rayonnement solaire reu par une surface perpendiculaire

aux rayons solaires place la limite suprieure de l"atmosphre terrestre varie au cours del"anne avec la distance terre /soleil. Sa valeur moyenne est appele la constante solaire, ellevaut 1367w 2m . (pour une distance moyenne Terre-soleil de 150 Millions de km)En premire

approximation, on peut calculer sa valeur en fonction du numro du jour de l"anne.

E0=1367. (1+0,034.cos (0, 986. (n-2)) (I

.14)



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Figure I.8 : la constant solaire

III.3.caractristique du rayonnement solaire :

III.3.1.Description :

La description du rayonnement solaire ncessite l"introduction denotions concernant la lumire et sa propagation ainsi que les longueurs d "ondes associes au

phnomne du rayonnement lectromagntique. [15]

III.3.1.1.La lumire :

Quand en voque la lumire en physique ;une des premires

grandeurs qui vient a l"esprit est la vitesse de la lumire ,qui ne peut tre gale et encoredpasse .Rien ne peut aller plus vite que la lumire ,et c"est sur ce postulat que repose la

clbre thorie de la relativit d"EINSTEIN .Il a dcouvert que la matire (m)est nergie

(E) , et vice versa ,et que ces grandeurs sont lies par la vitesse de la lumire au carr .C"est cequ"exprime sa fameuse formule E=MC2 .

Dans le vide, la vitesse de cette lumire C (pour clrit)est de 299 792 458m/s, a peine plus

d"une seconde pour parcourir la distance terre /lune .Cette lumire apparait donc nos yeuxcomme un rayon se propageant en ligne droite, et obissant certaines lois, d"crites parl"optique que l"on appelle 'gomtrique (: rflexion sur une surface, rfraction (dviationdu faisceau l"entre dans un milieu), focalisation par une lentille, diffusion sur une surfacerugueuse ..Tous ces phnomnes sont concentrs quand il s"agit de capter la lumire dansune cellule photovoltaque.

III.3.1.2.Dualit onde-particule:

Si l"on fait passer un faisceau lumineux par deux fentes assezrapproches, on observe sur un cran plac derrire non pas deux taches de lumire mais un



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ensemble de taches sombres et lumineuses alternes, des interfrences. Ce phnomne ne

peut s"expliquer que si la lumire est une onde qui se propage dans l"espace.

En effet lorsque deux ondes arrivent au mme point, elles peuvent soit se renforcer, soits"annuler, d"o les alternances de taches sombres et brillantes sur l"cran.

De nombreuses expriences vinrent conforter cette thorie ondulatoire, notamment

l"observation de l"astronome Huygens.

Ce n"est qu"au ..e sicle que seront enfin rconcilies ces deux thories dites ondulatoireet corpuscule de la lumire, grce la dcouverte du photon part PLANCK et EINSTEIN

.Car en pratique la lumire a bien une double nature.

C"es une onde lectromagntique, soit une oscillation priodique, caractrise par salongueur d"onde 0 (priodicit spatiale) ou sa frquence 1 : plus la frquence etleve, plus la longueur d"onde et faible et inversement :1=c/ 0ou C est la clrit dela lumire.

-dans la partie visible du spectre solaire la longueur d"onde se manifeste parla 'couleur (de la lumire.

C"est aussi un faisceau de photons qui sont comme des 'grains de lumire (porteursd"nergie, chacun en fonction de leur longueur d"onde, selon la formule de LUIS DE

BROGLIE(1924) :

L H?NH?8 O P I5 "XjJ

=2376*


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Page11

III.3.1.3.Rpartition spectrale des ondes lectromagntiques :

On appelle rpartition spectrale ou spectre la rpartition des ondes selon leur

longueur d"onde. Pour la lumire visible, cela se manifeste par le fait que la lumire blanche

est en fait compose de plusieurs couleurs, visibles par dcomposition travers un prisme

ou dans l"arc-en-ciel. Or les ondes lectromagntiques ne se rduisent pas la seule lumire

visible, qui ne reprsente en ralit qu"une infime portion de tous les rayonnements

lectromagntiques connus. Evidemment le terme de lumire est plutt adapt cette

partie visible par l"homme, mais par extension, il est souvent appliqu tout le spectre solairequi va de l"ultraviolet proche (250 nm) au proche infrarouge (10m). [15]

Longueur donde Frquence Exempledapplications

Rayons 0,01 nm

!"#$% & '(')*)' %+ !",-$./"01-2

Ultraviolet 10- 400nm Bronzage,

puriication de leau

Visible 400- 800nm Vision diurne,photosynthse

Proche infrarouge 800nm-10m Vision nocturne

Infrarougethermique

10m-1mm Chauffage, cuisson

Micro-onde 1mm-10cm Fours de cuisine

Ondes radar10cm-1m 3 GHz-300MHz Tlphone portable

,dtection de vitesse

Ondes radio 1m 300 MHz Radio ,TV, tlcoms

E!#-*!7 5"I 9 60S!6!'%( )S*8 &6!- * /*) %(/*) 0- *8&6%,! 3(0';7*) . .



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Page12

III.3.1.4.Rayonnement directe, diffus et global :

Le rayonnement solaire peut se decomposer en plusieurs lments definits comme suites :

Le rayonnement direct (I) qui provient directement du disque solaire

Le rayonnement diffus (D) qui provient de l"ensemble de la voute cleste et du sol.

Le rayonnement global (G) qui provient la fois du soleil et la totalit de la voute cleste

Les trois composantesI, D et G sont relies par la relation suivante :

G=I*01 A + D (I .16)

o : hest la hauteur du soleil et *01 A est la composante verticale du rayonnement solaire

direct. [15]

Figure I.10 : Diffrents rayonnement solaires

III.3.1.4.1. Estimation des diffrents rayonnements (G, D, I) sur une

surface horizontale :

On estime le rayonnement global G reu par une surface horizontale comme suit :

G= (0,58 *+ 0,41).G* [6] (I .17)

Avec G*

est le rayonnement global du ciel clair, il est calcul par un pyranomtre et donne

dans des abaques. [8]

On estime le rayonnement diffus reu par une surface horizontale comme suit :

D= (-0,53*+0,53). (I .18)



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Page13

On estime le rayonnement direct I reu par une surface horizontale comme suit :

I=G-D (I.19)

III.3.1.4.2. Estimation des diffrents rayonnements sur une surface

incline :

On estime le rayonnement diffus D (+,B) reu par une surface incline d"un angle ,

avec la verticale de lieu et oriente par rapport au sud d"un anglecomme suit :

D (+,,) =Dcos2C

@

+aGsin2C

@ (I.20)

a: albdo [13]

on estime le rayonnement direct I (+,B) reu par une surface incline comme suit :

5ATBBDHD.U8%)C")2(T"8%)A+VBDJ)2(C"8%)Tw A5"I


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III.4.3.=6!8'%( /R 2() %- !'%( 9 . .

S# f-#R:%&


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Figure I 11 : variation de la masse dair

Remarque:

On a AM0dsigne par convention le rayonnement solaire hors atmosphre.

AM 1 : soleil au znith

AM 1.5:soleil 41.8+-choisi comme rfrence au photovoltaque

AM 2 : soleil 30+

Dans les expressions prcdentes, AMX, X dsigne le rapport OM /OA :

Les conditions standards de qualification des modules photovoltaques sont :

un spectre AM1.5 sous un clairement de 1000W/m) et une temprature de

25+C. Les constructeurs de panneaux solaires spcifient les performances de

leur matriel dans les conditions normalises cites ci-dessus (S.T.C. :

Standard Test Conditions).

A

O

M



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III.6.Appareils de mesures:

Le rayonnement solaire direct I est mesur en visant le soleil

avec un pyrhliomtre (figure) .celui-ci peut tre muni de filtre, ce qui permet de mesur

l"nergie reue dans certaines bandes spectrales. [2]

=2376* 5"


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La dure d"insolation SS, quant elle, est mesure par un hliographe, Une boule decristal maintenue par un support amovible (qui peut bouger) constitue la base de l'hliographe.

Celle-ci agit comme une loupe en concentrant les rayons sur le carton. Derrire la boule de

cristal est plac un carton thermosensible sur lequel les mesures s'inscriront. L'appareil est

fix sur un support d'une hauteur approximative de 1,5 m.

Le dplacement du soleil fait changer le point de convergence des rayons sur le carton, ce

qui produit une ligne brle sur celui-ci .La longueur de cette trace donne la dure

d"ensoleillement.

Notons toutefois que le seuil de sensibilit du papier et de 120W/m2

Figure I.14 : hliographe permettant la mesure de la dure dinsolation.

Le radiomtre est semblable au pyranomtre, mais il permet de mesurer un type de

rayonnement spcifique (micro-onde, ultraviolet.). Les radiomtres imageurs sont surtout

installs sur les satellites (infrarouge, visible.) [11]

Figure I.15 radi omtrepermettant la mesure desmicro-ondes, et ul traviolet

IV.CONCLUSION :

Ce chapitre a permis de prsenter les caractristiques essentielles au dimensionnement

d"un panneau photovoltaque (donnes gomtriques et nergtiques) du gisement solaireainsi que les rgles de calcul des diffrentes composantes du rayonnement solaires, et les

appareils de mesure de ces derniers.



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5" 5(&6%/78'%( 9 .

La transformation d"nergie solaire en lectricit ncessite la ralisation d"une installation (systme)

photovoltaque, Un systme photovoltaque est un dispositif qui convertit directement l'nergie du

rayonnement (solaire) en nergie lectrique. L'lment de base de ces systmes est la cellule

photovoltaque, appele aussicellule solaire.

Une cellule photovoltaque est un composant lectronique qui a la forme d'une plaque mince. Cette

plaque est constitue d'une jonction entre deux couches semi-conductrices (ou entre une plaque

mtallique et une couche semi-conductrice). Chaque couche est relie un conducteur lectrique, de sorte

que l'on dispose de deux fils pour relier la cellule un circuit lectrique extrieur.

Les cellules photovoltaques actuelles sont le plus souvent fabriques en silicium. Cet lment est trs

rpandu dans la nature (on l'extrait du sable : SiO2). On l'utilise sous deux formes trs diffrentes : le

silicium cristallin et le silicium amorphe.

Les cellules ne sont pratiquement jamais utilises isolment : on assemble plusieurs cellules identiques au

sein d'un module dont la conception offre une protection contre les intempries, ceci en vue de garantir

une dure de vie suffisante (de l"ordre de 20 30 ans pour les cellules au silicium cristallin, beaucoup

moins pour les cellules au silicium amorphe).

Les cellules d'un module sont interconnectes lectriquement l'intrieur du module. De sorte, on ne

dispose la sortie du module que de deux conducteurs lectriques pour relier le module un circuit

lectrique extrieur.

En runissant plusieurs cellules en un seul module, on augmente la puissance disponible, mais on

peut aussi, en choisissant convenablement le nombre de cellules et la faon d'interconnecter les

conducteurs lectriques de ces cellules, adapter les caractristiques lectriques du module de faon

faciliter son utilisation. Ceci explique pourquoi une grande cellule est parfois dcoupe en plusieurs

cellules plus petites qui sont ensuite assembles au sein d'un module : il n'y a pas de gain de puissance,

mais les caractristiques du module obtenu peuvent tre diffrentes de celles de la cellule initiale.

Un assemblage de plusieurs modules monts dans un mme plan s"appelle un panneau.

Enfin, l"ensemble des panneaux d"une installation s"appelle un champ photovoltaque.



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Figure II.1 : schmas dune cellule, module et panneau photovoltaque

La principale caractristique d'un module photovoltaque est sa puissance nominale (appele

improprement puissance de crte du fait qu'elle n'est dpasse que trs rarement).

Cette puissance correspond des conditions normalises. Il s'agit notamment, selon les normes

internationales,

d'un rayonnement solaire de 1000 W / m2.

d'une temprature interne des cellules de 25+C. d'un spectre du rayonnement AM 1.5

Lors des comparaisons entre diffrents modules, il faut veiller ce que leur puissance nominale soit

dfinie dans les mmes conditions

Quoi qu'il en soit, la puissance moyenne rellement fournie par un module est toujours trs infrieure sapuissance nominale, car mme les conditions nominales des normes internationales sont trs optimistes

par rapport aux situations relles.



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II. La cellule photovoltaque :

II.1. Description :

Une cellule photovoltaque est un composant lectronique qui gnre une tension lorsque il est

expos la lumire (photons), (l'effet photovoltaque). Le courant obtenu est un courant continu et la

tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V.

Les cellules photovoltaques sont constitues de semi-conducteurs base de silicium (Si), de sulfure de

cadmium (CdS) ou de tellurure de cadmium (CdTe). Elles se prsentent sous la forme de deux fines

Plaques en contact troit l"une est dope au phosphore(p), dite de types 'n (, et l"autre dope au bore,

dite de type 'p (afin de crer un champ lectrique.

Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux lectrodes mtalliques et le tout est protg par

Une vitre.

II-2.Ralisation des cellules photovoltaques9

Le matriau le plus rpandu dans les cellules photovoltaque est le silicium, semi conducteur de

type 4, il est dit ttravalent ce qui signifi qu"un atome peut se lie avec 4 autres atomes de mme nature,mais on utilise aussi d"autres matriaux comme CdTe (tellurure de cadmium) et le CIS (cuivre-indium-di-slnium).

La ralisation des cellules solaires diffre selon le types de la cellule ; c "est--dire de matriauqui la constitue et de sa structure cristalline

On peut distinguer deux grandes familles de matriaux constituant les cellules photovoltaques

-les matriaux solides cristalliss

-les couches minces

I I -2-A :cellules fabr iques base des matriaux solides(sil icium) cr istal l iss :

Les photopiles au silicium cristallin sont les plus rpandues. Elles se prsentent sous formes de

plaquettes rondes, carres, ou pseudo carres. Si l"on parle de matriaux 'cristallin (, c"est parce que lesilicium qui le constitue est un cristal, avec un arrangement parfait des atomes, selon une structure

atomique ordonne de types ttradrique.

Si la photopile est constitue d"un seul cristal, on parle de silicium 'monocristallin (, et elle a un aspect

uniforme et gris bleut, parfois noir. Si par contre la photopile est faite de silicium 'multi cristallin ((ondit plus courammentpoly cristallin),elle est compose de plusieurs cristaux assembls, et prsente



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l"aspect d"une mosaque compacte de fragments cristallins bleuts de quelques millimtres quelquescentimtres, appelsgrains=

Figure II.2 :Cellule au silicium multi cristallin figure II.3 :cellule au silicium monocristallin

II-2-A-1. Processus de fabrication des systmes photovoltaques base de silicium

cristallin :

Un certain nombre d"tapes que nous allons prsenter ci-dessous sont ncessaire pour passer du quartz aumodule photovoltaque fini.

Figure II.4 : Enchainement des tapes de fabrication dun module photovoltaque au silicium

cristallin



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II-2-A-1-1.Extraction et laboration de silicium :

Raffinage de silicium : l"obtention de silicium utilis pour la fabrication des cellules photovoltaque dit'silicium solaire ( arrive en fin d"un processus de raffinage que l"on peut sparer en deux grandestapes :

a-De la silice au silicium mtallurgique :

Le silicium existe en grande quantit dans la nature sous forme oxyde puisqu"il est le constituant du basde sable, sous forme de silice(SiO2),deuxime lment en proportion sur la terre aprs l"oxygne.Pour fabriquer du silicium pur, on va employer de sable sous forme de quartz cristallis, le procd de

raffinage est une rduction dans un arc four lectrique par du carbone. La raction suit l"quation :

SiO2+2C -Si + 2CO (II.1)

2CO+O2-2CO2 (II.2)

Cette transformation, appele Rduction carbochimique, consiste porter des tempratures trs lves

Un mlange de quartz et d"espces carbones (rducteurs de types coke, Houille et bois), qui vont secombiner avec l"oxygne du quartz pour donner Du monoxyde puis du dioxyde de carbone.

Le silicium rsultant dit 'mtallurgique (. Sa puret est de l"ordre de 98 99 % (MG-Si)

L"nergie ncessaire la raction est apporte sous forme D"arc 3lectrique par des lectrodes en graphite, intrieur De fours mtallurgiques dits fours arc.

b-du silicium mtallurgique au silicium solaire :

Le silicium solaire (SoG-Si), est un silicium pur environ 99,999 % est obtenu par la purification du

silicium mtallurgique et servira la confection des lingots de silicium pour fabriquer les cellulesphotovoltaques

Il existe diffrents procds de production de silicium de qualit solaire que l"on peut classer en deuxgrandes familles : la voie chimique et la voie mtallurgique.

Voie chimique : procd Siemens :

Ce procd est bas sur la forte attraction de l"atome de silicium pour les ions chlorures Cl-.Ils consistent synthtiser des composs gazeux contenant du silicium, gnralement des

chlorosilanes, les purifier par distillation puis dposer le silicium poly cristallin par dcompositionthermique.



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On peut expliciter le procde siemens comme suit : le procd Siemens s "opre en trois tapes etgnre un dgagement gazeux de trichlorsilane SiHCl3B

Figure II.5 : Schma rcapitulatif des ractions du procd Siemens

1-Hydroclorination : transformation de silicium en trichlorosilane(SiHCl3) l"aide d"acidechlorhydrique :

MG-Si + 3HCl .SiHCl3 + H2 (II.3)

2-Distillation du SiHCl3 : la raction prcdente tant rversible, elle servira rcuprer le silicium

aprs la purification, qui est ralise par distillation fractionne du trichlorosilane.

3- dcomposition thermique : le silicium obtenu par rduction l"hydrogne se dposera finalement surune baguette de silicium chauffe sous forme de petits grains poly

cristallins. Ce silicium poly- cristallin, pur environ 99, 999%.

SiHCl3+ H2-SoG-Si + 3HCl (II.4)

Figure II.6 : Racteur de type siemens



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Dans le cas d"un racteur de type Siemens, le dpt a lieu sous cloche chauffe 1100-1200 +c via deslectrodes en graphiteB

Remarque :

Il existe d"autre procds de purification par voie chimique utilisant le chlore et qui diffrent par quelquesvariantes. Dans tous les cas, la premire tape consiste sparer le Si des impurets mtallique en faisant

ragir le MG-Si broy avec du chlore Cl2ou du chlorure d"hydrogne HCl. A partir de cette interaction seforment des chrolosilane de type SiHCl3 ou SICl4 et des complexe chloro-mtallique comme FECl3,

AlCl3, BCl3, faciles liminer. Les tapes suivantes permettent d"obtenir du Si pur partir des silaneschlors par des mthodes de distillation, d"change d"ion en sels fondus ou de pyrolyse selon les

procdes.

Voie mtallurgique : procd Elkem :

Tout l"enjeu de la voie mtallurgique est de diminuer les couts de production tout en garantissant unequalit suffisante pour les applications solaires. Les procdes mtallurgiques consistent

traditionnellement en une srie de fusion et solidification successives permettent d"liminerprogressivement les impurets.

le procd Elkem (figure II.7) il consiste en un traitement du silicium mtallurgique par un laitier desilicatesde calcium haute temprature suivi d"un lessivage chimique basse temprature. Les impurets

rsiduelles sont collectes sur le dessus du lingot obtenu aprs une solidification directionnelle. Les blocs

limins sont ensuite rintroduits en amont dans le procd. Les premires tudes montrent que la qualit

du silicium solaire obtenu est similaire celle du silicium poly cristallin obtenu de la voie Siemens.[7]

Figure. II.7 : tapes de procd Elkem

Conclusion : on pourra rcapituler les voies de l"obtention de silicium solaire en un diagrammesimplifi :



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Figure II.8 : Schma dmonstratif de lobtention de silicium solaire

II-2-A-1-2.Cristallisation de silicium et mise en forme des cellules :

Ce sont les dernires tapes de transformation du silicium avant la fabrication de la cellule

photovoltaque, le silicium solaire obtenu aprs raffinage va tre refondu encore une fois, dop

uniformment et dcoup en plaques une fois refroidi.

La technique de cristallisation consiste solidifier progressivement le silicium poly cristallin fondu de

manire contrle. C"est dans la charge de silicium en fusion que sera ajout l"lment dopant,gnralement du bore qui donne un dopage de type p.

Pour la cristallisation, trois grandes voies sont possible selon le choix technologique :

Le tirage Czochralski (CZ), donne des lingots cylindriques de silicium monocristallin (sc-Si),

La solidification directionnelle, donne des briques de silicium multi cristallin (mc-Si)

Les techniques de tirage de ruban donnent, du silicium multi cristallin en ruban.

Le tirage Czochralski donnant Silicium monocristallin (sc-Si) :

Pour passer de ce silicium pur, poly cristallin, un matriau monocristallin, on utilise le procd

Czochralski (CZ), qui consiste tirer des barreaux cylindrique partir de silicium fondu et de scier

ensuite ces barreaux en wafers (plaque de silicium).

Le poly cristal est fondu dans un creuset avec un peu de dopant, par exemple de bore pour obtenir un

matriau de base de type p. Au sommet de ce bain on place une bouture de silicium monocristallin dans

l"orientation prcise que l"on veut obtenir et l"on fait croitre le cristal sous la bouture en tirant, tournant etcontrlant trs prcisment la temprature. On fait croitre ainsi dans la mme orientation que la bouture

des cristaux de 1 2m de long et jusqu" 30 cm de diamtre.

Pour obtenir des tranches de silicium (wafers) d"environ 200 400 m, paisseur utilisable, il faut ensuitecouper le matriau avec une scie d"environ 0,2 mm de diamtre transporte un abrasif, par exemple du

carbure de silicium, et passe grande vitesse sur le silicium. Le procd permet de scier en une fois unlingot complet de silicium, le fil tournant autour du lingot en formant une trame. [15]



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Figure II.9 : Tirage des Lingots de silicium monocristallin

La solidification directionnelle donnant Silicium multi cristallin (mc-Si) :

Sachant les lments nocifs au bon rendement des cellules solaire et le moyen de fabriquer un cristal

de silicium bon march de qualit solaire. Ainsi est n le silicium poly cristallin ou plutt multi

cristallin, qui est une juxtaposition de petits cristaux monocristallins d"orientations diffrentes et dedimensions du millimtre au centimtre.

Pour fabriquer ce matriau, on refond tous les dchets provenant du tirage de monocristaux (tirage CZ),

dans une cuve le plus souvent carre, temprature et atmosphre contrles, divers procd thermique et

chimique sont employs ce stade pour repousser les principaux impurets la priphrie du creuset, cequi forme une croute que l"on limine aprs durcissement. Le bloc ainsi obtenu sera ensuite taill en

barreaux de section carre (10x10 ou 15x15 cm) qui seront eux-mmes scis en wafers.

La recristallisation un effet bnfique sur la puret locale du matriau, les impurets restantes tant

concentres aux frontires entre cristaux, appels joints de grains.

Cette technologie est aujourd"hui la plus rpandue car bien maitrise sur le plan industriel et offrant unbon rapport qualit/prix.

Figure. II.10 : Mise en forme des lingots de silicium multi cristallin figure. II.11:sciage de silicium

avec Scie fil



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Silicium Ruban :

La mthode de son laboration consiste produire des plaquettes directement partir de siliciumfondu, combine les tapes de cristallisation et de mise en forme du silicium, il est obtenu par

entrainement d"un ruban de silicium sur un support plan ou tubulaire partir d"un bain de silicium. Lesdifficults rsident dans la dfinition du bon support au cours de l"tirement.

Remarque :

Actuellement deux procds sont utiliss. La technologie ruban EFG (Edgedefined Film-fed Grouwth),

consiste tirer d"un bain de silicium fondu un tube de section octogonale, jusqu" 6 m de long, dont lesfaces sont ensuite coupes par laser pour former des wafers, typiquement de 10 x 15 cm. La

tenue mcanique des wafers obtenus est un paramtre critique de cette mthode car le procd et ladcoupe fragilisent les bords des cellules. Le degr de cristallisation dpend de la vitesse de tirage, et une

faible vitesse peut conduire de silicium 'ruban (quasi monocristallin. [17]

Le deuxime procd est, le procd 'string ribbon (a t dvelopp aux Etats-Unis : il s"agit de tirer dubain de silicium un seul ruban, maintenu de part et d"autre par des fils haute temprature (ou string). Cettetechnique permette d"atteindre une meilleure productivit, surtout du fait de la vitesse de tirage qui peuttre plus leve, et de l"paisseur plus faible, le rendement matire est doubl par rapport un procd desciage traditionnel. [17]

=2376* 55"


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Conclusion :

Pour conomiser de l"nergie et rduire les couts de fabrication, la tendance actuelle des industriels c"estde raliser des chaines de fabrication procds si possible secs et d"viter au maximum les

manipulations de wafers. Une autre tendance est de scie toujours plus fin, 100 m tant suffisant pourcapter tout le spectre reu sur terre, certains constructeurs essaient de traiter des wafers de 130 180 m,

mais cette paisseur est actuellement un minimum pour limiter la casse lors de la manipulation et de

chocs thermique ventuels. Le silicium monocristallin atteint les rendements les plus levs : certain

constructeurs multiplient les procds sophistiqu ; diffusion trs proche de la surface avant pour

amliorer la collecte des photons de petite longueur d"onde (photos trs nergtique et pntrant moisdans le silicium), mtallisation avant extrmement fine, deux couche antireflet

II-2-A-1-3.fabrication des cellules :

Une fois les plaques dcoupes vient la fabrication des cellules

Enchainement des tapes de fabrication :

Chaque fabricant dveloppe sa propre chaine de fabrication, qui dpend de ses choix technologique et

conomiques. L"enchainement des tapes ci-dessous reprsente un procd industriel standard auquel ilfaudra ajouter les sous-tapes de transport, nettoyage et mesure.

Dcapage : les plaques dopes de bore lors de la cristallisation, Sont dcapes dans un bain chimique

afin d"liminer Les dfauts de superficiels crs par sciage.

-Procdure : immerger les plaques dans un Bain acide base d"acide fluorhydrique HF, d"acideactique CH3COOH et d"acide nitrique HNO3.

Figure II.13: dcapage

Texturation :La texturation de la surface en petites pyramides ou Entonnoirs permet d"amliorer lacollecte des photons. Dans toutes Les directions en rduisant la rflexion. On parle aussi deconfinement optique.



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Figure. II.14 : texturation

-Procdure : Gravure slective par un bain alcalin de soude NaOH ou de potasse avec des additifs

organiques du type alcool isopropylique IPA dans le cas de cristal monocristallin, et avec de l "acidefluorhydrique HF et acide nitrique HNO3 dans le cas de cristal poly cristallin.

Figure. II.15 : texturation

Dopage :

v Dopage de type N :Le dopage de type N consiste ajouter un atome de phosphore ausein de la structure cristalline du silicium. Le phosphore disposant de 5 lectrons sur sa

couche lectronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre

un lectron. Cet ajout a pour effet de donner la structure cristalline une charge globale

ngative.

v Dopage de type P:Ledopage de type P consiste ajouter un atome de bore au sein dela structure cristalline du silicium. Le bore disposant de 3 lectrons sur sa couchelectronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre un trou.

Cet ajout a pour effet de donner la structure cristalline une charge globale positive.

Les 3 mthodes de dopages :

LA DI FFUSION: On utilise un four, dans lequel on injecte des gaz avec une solution dopante pour lesilicium. Avec la chaleur, le dopant a une nergie suffisante pour entrer dans la plaquette de silicium.

Cette mthode est assez ancienne, et ncessite d'avoir une temprature uniforme dans le four.

6LE CROISSANCE EPITAXI ALE: Cette mthode utilise toujours un four, mais cette fois-ci les atomes

du dopant sont dposs sur le silicium qui se prsente sous la forme d'une plaquette. On a ainsi un dpten surface, et non pas une insertion comme pour la mthode de dopage par diffusion. La temprature du

four doit avoisiner les 1 200 +C.



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6 LE BOMBARDEMENT IONIQUE : Une source (appel faisceau ionique nergtique) produit desions, qui sont ensuite acclrs, et par le biais d'un

Contrle trs prcis, ceux-ci vont alors se positionner sur la plaquette. L'avantage de ce principe est que

l'opration se droule temprature ambiante. Le dfaut de cette technique est qu'elle peut provoquer desdommages au silicium induisant un rarrangement indsirable de sa structure cristalline, exigeant ainsi

une recristallisation subsquente.

Dans le processus de fabrication d'une cellule photovoltaque, les wafers, obtenus par sciage des lingots

de silicium purifi, subiront soit un dopage de type N soit un dopage de type P.

Figure II.16 : Structure de Silicium dop n figure II.17 : structure silicium dop p

Gnralement les wafers sont dopes p partir de bore lors de la cristallisation, et la zone dope n est

forme par diffusion de phosphore partir de trichlorure de phosphoryle POCl3 dans un four passage,

800+C


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Figure II.19 : lavage

Dcapage des bords :la couche n+ est retirait des bords de la plaque (Sur la tranche) pour,Sparerl"metteur de la face arrire.

=2376* 55" I^ 9 /08!S!3* /*) #%6/)

-Procdure :Gravure plasma avec un mlange gazeux ttrafluoromthaneCF4et OxygneO2 Soumis un champ de radiofrquences.



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Figure II. 21 : gravure plasma

Dpt Antireflet plus passivation :une couche Antireflet base d"oxyde, Ou de nitrure de siliciumou d"oxyde Mtallique est dpose en face avant.

Elle sert aussi passiver la surface en limitant les recombinaisons entre charges, afin de conserver la

conductivit du matriau.

Figure II. 22 : dpt antireflet

-Procdure : Dpt chimique en phase gazeuse via un plasma(PECVD) d"une couche de SiN47partir de silane SiH4et d"ammoniac NH3 .

*PECVD : Plasma enhanced chemical vapor deposition.



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Champ face arrire : la face arrire est dope p+ par diffusion d"aluminium, Cette couche joue aussiun rle de conducteur ohmique Avec l"lectrode arrire. Afin de limiter les recombinaisons.

-Procdure : Diffusion thermique d"aluminium Al 850+C partir d"une pate d"aluminium dpose sur

toute la face arrireB

Figure II. 23 : champ face arrire

Mtallisation : les contacts lectriques sont des mtaux dposs en face avant (lectrode -) et enface arrire (lectrode +).

-Procdure : Srigraphie d"argent en face avant et d"aluminium en face arrire par frittage de patesmtalliques.

Figure II. 24 : mtallisation

Test et Tri : les cellules sont mesures lectriquement puis tries selon leur caractristique afin

d"optimiser leur association ultrieureB

VProcdure : les cellules sont soumises un test sous lumire artificielle calibre afin de mesurer leurscaractristiques lectriques relles.

Remarque :Il existe de nombreuses variantes pour chacun de ces tapes, qui dpendent fortement des

Equipment de production slectionns par le fabricant. Certains bains chimiques peuvent aussi tresremplacs par des gaz fluors lorsqu"il s"agit de graver la matire (texturation, retrait d"une couche,nettoyage des parois d"un racteur). On trouve aussi des procds laser pour l"isolation des bords de

plaque. Dans tous les cas, la tendance actuelle est l"augmentation du nombre d"tapes.

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I I -2-B.les cellules en couches minces :

Le silicium est aussi utilis en couches minces qui sont galement solides, dite 'Amorphe (de structure

dsordonne de type vitreuse, l"organisation des atomes n"est plus rgulire comme dans un cristal, elle

est dforme, et l"ordre cristallin n"est maintenu qu" courte distance (2 3 liaisons atomique). Les

atomes ne sont lis qu" trois atomes au lieu de quatre, cela cre des liaisons non lis 'pendante (. Le

silicium amorphe pur est donc un mauvais semi-conducteur, plein de dfauts et on ne peut pas le doper.

Mais d"paisseur nettement plus faible (de l"ordre de micron et en de) et dposer sur un support

(gnralement de verre).

=2376* 55" Ia 9 F&678&76* )2,S-2b0* /* -! )2 -28* c2 &6*7)*9 -*) 6*- !'%() *(& 6 * =2376* 5 5"IK 9 8*- - 7-* !7 ) 2- 2827,d ,%6 S?* . .

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Remarque :

Lorsque le silicium amorphe est fabrique partir du gaz de silane(SiH4), il contient une proportion

importante d"hydrogne (5 10%) qui va se lier ces liaisons pendantes, ce qui rduit la densit de

dfauts et permettant la collecte des charges et le dopage du matriau.

Ce matriau est un alliage amorphe de silicium et d"hydrogne que les scientifiques dsigne par: a-Si : H

(silicium amorphe hydrogn). Cet alliage prsente un gap plus lev que le silicium cristallin et absorbe

la lumire beaucoup fortement : une couche de 1m d"paisseur suffit capter le rayonnement reu sur

terre. En pratique l"paisseur des jonctions peut descendre jusqu' 0,2 mB

Figure II.27 : Reprsentation schmatique dun rseau de silicium amorphe hydrogn



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II-2-B-1.Processus de fabrication des systmes photovoltaques base de siliciumAmorphe :

A l"oppos de la filire cristalline, pour fabriquer les cellules au silicium amorphe, ce n"est plus le

silicium purifi qui sera employ mais un gaz : le silane (SiH4). La technique la plus courante est le dpt

par plasma (PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

Nota : le principal avantage de cette technique est que l"on peut empiler toutes sortes de couches

diffrentes, juste en modifiant la composition gazeuse, et mme bien sans arrter le plasma.

Les couches sont dposes directement partir de silane (SiH4) dans une enceinte sous vide secondaire.

Les supports de verre qui peut constituer la face avant de la cellule condition d"avoir t pralablement

couvert d"un conducteur transparent (SnO2) sont introduits dans la machine, puis chauffs 150-200+C.

Le silane introduit dans l"enceinte est dcompos par une dcharge radiofrquence. Dans le plasma ainsi

form, le silicium et l"hydrogne librs reforment un matriau solide, mais dsordonn, sur les plaques

supports.

La constitution de la jonction peut se faire par dpt de trois couches de silicium amorphe, une couche de

type p, une couche de type i (non dope, afin d"obtenir un volume de jonction plus grand) et une couche

de type n.

Le dopage est effectu lors du dpt en ajoutant les lments sous forme d"hydrures gazeux :

du diborane2B2H6- pour le bore (dopage p) et de la phosphine2PH3- pour le phosphore (dopage n).

Pour que la cellule soit complte, il faut deux lectrodes de part et d"autre du silicium. Quand la cellule

est dpose sur verre, ce qui est encore le plus frquent, l"lectrode (+) est une couche transparente etconductrice dpose sur le verre avant le silicium, c"est un oxyde mtallique tel que le SnO2 : oxyde

d"tain dop au fluor, ou l"ITO : oxyde d"indium et d"tain, la qualit de cette lectrode avant est

importante et elle contribue souvent crer de la diffusion dans le dispositif pour une meilleure

absorption de la lumire.

A l"arrire, l"lectrode (-) est le plus souvent constitue d"aluminium, galement en couche mince, Puis

de nickel ou d"un autre matriau soudable, l"aluminium est un bon rflecteur de la lumire, ainsi les

photons qui traversent la jonction ont une deuxime chance d"absorption. La figure i- dessous rcapitule

la structure complte d"une cellule au silicium amorphe (simple jonction).



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Figure II. 28 : Structure dune cellule simple (une seul jonction; p-i-n) au silicium amorphe

hydrogn

Remarque :

1) Le gap optique du silicium amorphe est de 1,77 eV, et il n"absorbe pas la partie rouge du spectre

visible (0 suprieur 0,7m) ce qui influe sur le rendement. 6% pour une simple jonction silicium

amorphe.

L"intrt de la technologie silicium en couches mince est qu"elle permet de raliser des structures 'multi

jonctions ( gaps diffrents, chaque jonction tant spcialise dans la conversion d"une bande du spectre

de lumire. En effet, il est facile d"empiler les couches en modifiant simplement le mlange gazeux aucours du dpt de la photopile dans l"enceinte plasma. Alors le germanium, galement ttravalent (avec

quatre liaisons), a un gap beaucoup plus faible et un bon alliage silicium-germanium absorbera cette

partie rouge. Donc il est intressant de placer derrire la jonction silicium (p-i-n) une jonction au silicium-

germanium. Des cellules doubles jonctions 'cellule tandem(, ou mme triple jonctions, ont donc un

rendement plus lev qu"une simple jonction silicium amorphe, elles atteignent 7 9%.

Figure II. 29 : Cellule tandem (double jonctions)



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2)Autre Matriaux inorganique (cellule sans silicium) : Entre matriaux cristallis et couches amorphes,

il existe une autre famille de matriaux, beaucoup moins rpandus, il s"agit de couches mince poly

cristallines. Le silicium poly cristallin en couche mince serait intressant notamment s"il pouvait allier le

rendement du silicium cristallin fort clairement et la simplicit de fabrication des films minces.

a)cellules au CdTe (tellurure de cadmium): ce matriau est intressant du fait de son gap optique 1,45 eV

et de sa forte absorption qui permet en moins de 2 m d"paisseur d"absorber la quasi-totalit du spectre

visible. Pour constituer une cellule CdTe, on pose une couche de conducteur transparent sur un substrat

de verre, puis on dpose une couche de CdS (sulfure de cadmium) de type n, puis une couche de CdTe

dop p. On constitue ainsi une htrojonction(jonction de deux matriaux),les rsultats de laboratoire sont

trs intressants avec un rendement de 15,8 % .Cependant la production industrielle bute encore sur des

problme technique lis la maitrise des oprations de dopage p de CdTe et la fiabilit du contact

arrire . Un autre obstacle est la toxicit du cadmium.

b)cellules CIS(CuInSe2) et CIGS : c"est un alliage base de cuivre, d"indium, et de slnium, le procd

de fabrication, qui utilise des technologies de dpt sous vide, on dpose ce matriau(CIS) sur un substrat

de CdS de type n. Au-dessus de la couche mince poly cristalline dope p, on dpose une couche de ZnO

assez mince pour laisser passer la lumire. Thoriquement, cette htrojonction peut atteindre 25% de

rendement, elle a d"excellentes proprits d"absorption, mais un gap un peu plus faible (1eV), pour

l"largir, l"indium est alli au gallium et le slnium du soufre, d"o le symbole CIGS pour [Cu (In, Ga)

(Se, S)2], cela donne des jonctions qui, en pratique, peuvent atteindre 17% en laboratoire et 11% en usine.

Le dveloppement de cette filire s"explique surtout parce qu"elle allie les avantages de la technologie

cristalline (rendement levs) et celle de la technologie couche mince de dpt de grande surface avec

une mise en srie intgre et non pas postriori par cblage extrieur.

II-3.Ralisation de module et panneaux photovoltaque :

Une photopile lmentaire ne gnre pas suffisamment de tension : entre 0,5 1,5 V selon les

technologies, il faut plusieurs photopiles en srie pour gnrer une tensionexploitable.

II-3-A. Montage en srie de cellule identique :

II-3-A-1. Mise en srie des cellules identique9

La caractristique tension-courant obtenue lors du montage en srie de deux cellules est

reprsente dans la figure ci-dessus, dans ce cas la puissance maximale de l"ensemble est gale au doublede la puissance maximale d"une cellule. Le courant optimal est le mme pour une seule cellule et latension optimale est le double de la tension optimale d"une cellule



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Figure II. 30 : Montage en srie de deux cellules solaire identiques[17]

Ces rsultats se gnralisent sans difficult au cas de n cellules identiques montes en srie. Il suffit dedilater la caractristique d"une cellule d"un facteur n dans la direction de l"axe des tensions.

II-3-A-2. Mise en srie des cellules non identiques :

La diffrence du courant de court circuit rsulte de fait que les cellules ne sont pas identiques

(diffrences au niveau de la fabrication), et aussi de la diffrence de rayonnement solaire reu. La mise en

srie des cellules non identiques rduit les performances d"un ensemble.

Lorsque le courant dbit tend devenir plus grand que le courant de court-circuit(le plus faible de

deux), la cellule la plus faible devient le sige d"une tension ngative et s"oppose la croissance ducourant. Il apparat que le courant de court-circuit de l"ensemble des deux cellules est pratiquement galau plus faible des deux courants de court-circuit. La puissance totale gnre est infrieur la somme des

puissances que chaque cellule pourrait gnre individuellement.

Figure II. 31 : Mise en srie de deux cellules non identiques[17]



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La conclusion ci-dessous se gnralise au cas de nombreuses cellules interconnectes

Les problmes relatifs la mise en srie de cellules diffrentes sont plus grave encore lorsque le

nombre de cellules en srie augmente, ce qui est malheureusement ncessaire pour obtenir une tension

suffisante, c"est ce qui se reprsent la figue ci-dessous dans le cas d"un groupe de cellules connectesen srie comportant 17 cellules identiques et (une cellule partiellement l"ombre) dont le courant decourt-circuit n"est que de 50 % du courant de court-circuit des autres. On obtient de la courbe courant-tension totale en additionnant pour chaque valeur du courant la tension d"une cellule normale, multiplie

par 17, avec la tension de la cellule plus faible

Lorsque le courant dbit est suprieur au courant de court-circuit de la cellule faible, la tension de celle 2ci devient ngative, ce qui dtriore fortement les caractristiques de l"ensemble (la puissance optimale del"ensemble est infrieur la puissance optimum des 17 cellules normales).

Figure II. 32 : Mise en srie de 18 cellules, dont une plus faible[17]

On notera que les modules constitus de cellules de haute qualit sont plus sensibles ce phnomne. En

effet, si le module est constitu de cellules ayant un courant de fuite important, la tension ngative quiapparat aux bornes d"une cellule mal claire sera moins grande, et donc la tension de sortie sera moinsaffecte par la mise l"ombre partielle d"une cellule

Une autre faon de rduire l"impacte d"un dsapparirent serait de munir chaque cellule d"une diode enantiparallle. Lorsqu"une cellule est plus faible, sa diode en antiparallle devient conductrice, ce qui

permet aux autre cellules de fonctionner leur courant optimal. Dans ce cas, les cellules plus faibles sont

toujours non exploites, mais elles n"ont qu"une influence limite sur la tension de l"ensemble (en fait, onperd une tension gale la tension des diodes en antiparallle qui sont devenues conductrices)

Mettre des cellules en sries est indispensable pour produire une tension utilisable. Cela rpond des

rgles lectriques et mcaniques (possibilits d"assemblage des cellules). Une cellule au silicium cristallinprsente une tension de circuit ouvert de l"ordre de 0.6V et une tension a la puissance maximale de l"ordrede 0.45V -0.5V d"o l"utilit d"assemblage en srie des cellules car les tensions s"additionneB

Nota : Hot-spots (point chaud) et diodes by-pass :

Quand un module au silicium cristallin n"est pas uniformment exposer la lumire, il peut en effet y

avoir du taches d"ombres ,ou une feuille morte qui masque compltement une cellule, celle-ci tant cbler

en srie, le courant total est nivel par le bas c.--d : la cellule la plus faible impose sont courant aux



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autres, donc lorsqu"une cellule ne dbite plus parce qu"elle n"est pas expose au rayonnement, le courant

de l"ensemble de la chaine tend vers zro.

En consquence la cellule masque devient rceptrice de toutes les autres de la srie, elle reoit en

tension inverse la somme de toutes leurs tension, elle se met donc chauffer d "o l"appellation 'hot-

spot ( ou 'point chaud ( il est indispensable de s"en protger, les dommages pouvant aller jusqu'

l"incendie.

La parade contre ce phnomne est de cbler une diode en parallle par groupe de cellules, on maintient

ainsi la tension inverse applique la cellule ombre une tension infrieure sa tension de claquage, ce

qui engendre un chauffement supportable par le module. (Infrieur 60+C module actuel).

Figure II. 33 : Illustration du phnomne du hot-spot

II-3-B. Montage en parallle de cellules :

II-3-B-1. Mise en parallle de cellules identiques :

La caractristique courant-tension obtenue lors du montage en parallle de deux cellules

identique est reprsente la figure ci-dessous. La tension optimale de l"ensemble est la mme que pour

une seule cellule, alors que le courant optimal de l"ensemble est gale au double du courant optimal d"une

seule cellule



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Figure II. 34 : Montage en parallle de deux cellules solaire identiques[17]

Ce rsultat se gnralise sans difficult au cas de n cellules identiques montes en parallle : il suffit de

dilater la caractristique d"une cellule d"un facteur n dans la direction de l"axe des courants.

II-3-B-2.Mise en parallle des cellules diffrentes :

Dans le cas de mise en parallle de cellules non identiques, aucun problme ne se pose, le courant gnr

pour chaque valeur de tension est la somme des courants de chaque cellule. La cellule faible la mme

tension vide et la mme tension optimum que la cellule normale puisque la tension dpend peu de

l"intensit lumineuse. La puissance totale gnre est donc gale la somme des puissances que chaque

cellule pourrait gnrer individuellement.

Figure II. 35 : Mise en parallle de deux cellules non identiques[17]

On connecte en parallle plusieurs branches pour raliser un champ photovoltaque, chacune de cesbranches comporte plusieurs cellules montes en srie, cette connexion est applicable, malheureusement,

une mauvaise cellule dtriore toutes les caractristiques d"une brancheB



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_%(8-7)2%( 9

1-Lorsque les cellules sont mises en srie, la tension de toutes les cellules s"ajoutent et le courant et le

mme que celui d"une seul cellule. D"ou il faut cbler des cellules du mme courant, on appelle cela l"'appairage (: on trie les cellules selon leur courant pour les cbler entre elle car si l "une d"elles tait plus

faible en courant, elle imposerait son courant toute la srie ce qui pnaliserait le module complet.

2-Si l"on cblait des cellules en parallle, ce sont les courants qui s"ajouteraient et la tension resterait

constante.il faudrait cette fois-ci appairer les tensions et non les courant .c"est ce qui ce passe lors de la

mise en parallle des modules photovoltaques pour constitu un gnrateur de puissance.

Mise en srie des cellules en silicium cristallin (Cblage des cellules) :

On utilise pour les connexions des bandes de cuivre tam (avec une forte paisseur d'tain) assez longues

pour assurer la connexion d'une cellule l'autre et avec une section suffisante pour ne prsenter qu'une

faible rsistance au passage du courant. On commence par souder (par chauffage avec un fer souder

ordinaire, ce qui fait fondre l'tain de la bande) une ou plusieurs bandes (selon la forme des

mtallisations) sur la face avant de la cellule solaire, l o une largeur suffisante des mtallisations a t

prvue.

Figure II. 37 : connexion de cellules

lintrieur du module [17]

Figure II. 36 : Connexion en srie eten parallle de plusieurs cellules[17]



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La connexion des cellules dans un panneau photovoltaque base des cellules au silicium cristallin, se

fait en reliant le contacte (-) en face avant de la premire cellule avec le contacte (+) en face arrire de la

cellule suivante, le contacte (-) de cette dernire au contacte (+) de la suivante etc. Ces liaisons ncessitent

un contacte soudable de chaque cot des cellules, le plus souvent a base d"tain ou d"argent .on les ralise

avec des rubans de cuivre tam, la fois souples, extra-plats et soudables. Dans l"industrie cette tape

est plus souvent automatise : la machine prend les cellules l"aide de ventouses et les soude deux a deux

en bande appeles 'strings ( qui seront ensuite soudes entre elle par leurs extrmits.

Figure II. 38 :Vue en coupe dun module au silicium

cristallin

mise en srie des cellules en silicium amorphe (cblage des cellules):

La fabrication d"un module photovoltaque en silicium amorphe et des autres technologies en

couches minces diffre quelque peut de celle d"un module en silicium cristallin, surtout en raison de la

mise en srie des cellules, qui est totalement diffrente (au moins sur support verre). Et galement parce

qu"il est gnralement de plus petite taille, ce qui diminue les contrainte de tenue mcanique, l"image ci-

dessous d"un module au silicium amorphe sur un substrat verre, les photopiles ne sont pas physiquement

spares comme les cellules cristallines, le module apparat comme une surface uniforme avec des fines

rayures de sparation. C"est la au niveau de ces rayures, que se fait la mise en srie : chaque bande

rectangulaire est une photopile, et ces bandes sont mise en srie grce ces rayures.

Figure II. 39 : des cellules au

silicium cristallin connectes



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Figure II. 40 : Un module photovoltaque au silicium amorphe[15]

Les charges crs sous illumination dans les couches de silicium, sont collectes, grce aux deux

lectrodes de part et d"autre, l"lectrode transparent, pole (+) de la photopile, et la couche mtallique, pole

(-). Les rayures pratiques dans ces 3 couches, dcales les unes par rapport aux autre, permettent la mise

en srie des photopiles adjacentes. En effet, le pole (-) de la premire photopile est ainsi relie au pole (+)

de la suivante, et ainsi de suite. L"encombrement des trois rayures est infrieur au millimtre en gnral.

Si pour cela quelle apparaissent l"il nu comme une seule ligne de sparation entres les cellules

Remarque :

cette technologie est trs commode, car elle dispense de dcouper les cellules

physiquement pour les assembles ensuite.il suffit d"amener l"outil adquat, en

l"occurrence un laser, aux emplacements choisis, pour dessiner le format voulu pour

le module avec le nombre adquat de cellules en sries.

Cette technique peut tre employe aussi, avec quelques amnagements, sur des

couches minces poly cristallines en CIS ou CdTe.



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Figure II. 41 : Mise en srie des cellules dun module au silicium amorphe[15]

II-3-C: ralisation et Assemblage des modules et panneaux :

II-3-C-1 : ralisation des modules :

II-3-C-1-1 : ralisation des modules base des cellules au silicium cristallin :

Afin de Protger les cellules et leurs contacts mtalliques contre les conditions ambiantes (humidit

surtout), et leur assures une protection mcanique cause de leur fragilit, et Une fois les connections

entres cellules effectues, on ralise l"opration dite 'encapsulation (: les photopiles sont enrobes dans

une rsine et prise en 'sandwich (entre deux supports en loignant les cellules d"environ 1 cm du bord

pour viter la corrosion. Les matriaux utiliss pour l'encapsulation doivent avoir une dure de vie leve

malgr la temprature, les variations de temprature et l'exposition aux rayons UV. Les modules doivent

aussi rsister aux efforts mcaniques (transport, montage, efforts oliens) et aux averses de grle. Ils

doivent pouvoir se fixer facilement sur une structure. Ensuite on superpose les diffrentes couches

constituant le module.



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Une plaque avant transparente (revtement) : il faut placer un revtement transparent et rsistant, un verre

tremp 'haute transmission (, il s"agit de verre de moindre concertation en oxyde de fer que le verre

vitre et donc plus transparent, l"paisseur de ce verre est gnralement de 3 ou 4 mm selon la dimension

du module.

Une plaque d'EVA (actate de vinyle) : L"EVA sert de matriau d"enrobage, elle se prsente sous forme

de feuilles de couleur blanchtre qui sont placs entre le revtement et la photopile, l"EVA comporte des

additifs pour amorcer la solidification, ainsi que pour favoriser l"adhrence sur le verre.

Un feutre de fibres de verre : Le feutre de fibres de verre facilitera l'vacuation de l'air lors de la

lamination, et vite la dislocation des cellules lors de la mise sous pression du module.

Une seconde plaque d'EVA

Une plaque servant de substrat arrire : gnralement du verre, selon la technique du bi-verre feuillet

inspire de la fabrication des pare-brise automobile. C"est la solution la plus rsistante, qui de plus offre

une transparence intressante pour certain application architecturale. Mais est plus conomique et par fois

efficace d"utilis un film plastique de type PVF (connu sous le nom Tedlar), ou un autre film faisant

barrire l"humidit comme une multicouche plastique/mtal.

-La lamination :

Aprs avoir superpos les diffrentes couches constituant le module vient ensuite l"opration de

' lamination (, qui a pour but d'liminer tout l'air du module et de rticuler l'EVA, afin de confrer ce

matriau une meilleure rsistance la temprature et aux UV. On chauffe l"empilement

verre/EVA/photopile/EVA/verre(ou film plastique). On commence par mettre les deux chambres sous

vide, et on augmente la temprature jusqu' 110+C afin de liqufier l'EVA. On laisse alors rentrer de l'air

dans la chambre 2, ce qui met le sandwich sous pression. Tout l'air est alors expuls et l'EVA remplit tous

les interstices. On lve alors la temprature 150+C pour obtenir la rticulation de l'EVA. On peut alors

laisser refroidir le module et amener les deux chambres pression atmosphrique. Le dispositif utilis est

symbolis la figure ci-dessous :[17]



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Figure II. 42 : Laminateur de module photovoltaque[17]

Montage du cadre et des connexions

Souvent, le module est muni d'un cadre d'aluminium anodis qui renforce la solidit et facilite la fixation

du module sur une structure.

L'arrire du module est muni d'un botier de connexion qui contient les diodes de protection contre les

points chauds et permet la connexion du module au circuit extrieur. Comme pour les modules eux-

mmes.

II-3-C-1-2 : ralisation des modules base des cellules au silicium amorphe :

L"encapsulation d"un module au silicium amorphe diffre peu de celle d"un module cristallin, du

fate que la cellules amorphe est dj sur verre .on utilise pour l"

installation photovoltaique pour la bébliothéque

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