ti module pv marché 1

Toute repr

lectricit photovoltaque

Principespar Jean-Claude MULLER

Membre du Programme interdisciplinaire nergie du CNRSInstitut dlectronique du solide et des systmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP)

1. Physique du rayonnement solaire ....................................................... BE 8 578 21.1 Rayonnement du corps noir : soleil hors atmosphre, constante solaire 21.2 Rayonnement peru au sol : rle de latmosphre................................... 2

2. Physique du composant photovoltaque ........................................... 32.1 lectrons dans un potentiel priodique, schma de bandes ................... 32.2 Semi-conducteurs intrinsques et dops .................................................. 4oduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 578 1

e secteur des composants opto-lectroniques qui se dveloppe le plus rapi-dement est, sans conteste, celui du photovoltaque (PV), pour une produc-

tion dlectricit base sur la conversion de la lumire du soleil.Le but de ce premier dossier est de donner au lecteur un minimum de connais-

sance des principes de la conversion photovoltaque. Dans le premier paragra-phe, quelques notions relatives lnergie transmise par le soleil horsatmosphre (considr comme un corps noir) et au niveau du sol sont donnes.Dans le deuxime paragraphe, on prsente en termes simples quelques l-ments de physique des semi-conducteurs incluant les modles de schma debandes, les formules de base qui rgissent la rpartition des lectrons lquili-bre thermodynamique et les mcanismes de la conduction lectrique. Lesparagraphes 3 et 4 dcrivent les caractristiques lectriques fondamentales (ten-sion, courant et rendement de conversion) du dispositif photovoltaque et sonusage en tant que gnrateur de courant (convertisseur lumire-lectricit).

Ce dossier se termine par une application pratique : on valuera rapidement ledimensionnement dune installation photovoltaque partir des donnesdensoleillement de la rgion pour une habitation individuelle afin de satisfaireles besoins en nergie lectrique dune famille de quatre personnes.

2.3 Effet photovoltaque .................................................................................... 5

3. Caractristiques I-V et rponse spectrale......................................... 73.1 Paramtres caractristiques et rendement de conversion dune cellule 73.2 Rendement quantique dune cellule .......................................................... 8

4. Convertisseur photovoltaque .............................................................. 84.1 La cellule, un lment gnrateur de courant........................................... 84.2 Le module photovoltaque.......................................................................... 94.3 Problme du stockage de lnergie photovoltaque ................................. 104.4 Effet de la temprature dutilisation sur le module photovoltaque........ 104.5 Modules hybrides photovoltaque-thermique........................................... 104.6 Champs de modules et cellules sous concentration ................................ 104.7 Dimensionnement dune installation photovoltaque .............................. 11

5. Conclusion ................................................................................................. 12

Rfrences bibliographiques ......................................................................... 12

L

LECTRICIT PHOTOVOLTAQUE ___________________________________________________________________________________________________________

BE 8 578 2

(0)

1. Physiqusolaire

Pour plus de dtails soleil (considr commniveau du sol, on peut sment thermique des mades Techniques de lIngsur les photopiles solai

1.1 Rayonnemehors atmos

On peut considrer, erayonnement du soleil ment du corps noir (figdondes, cest--dire ponant lnergie moyennephotons dans un intervclassique de Rayleigh-J

E(Ainsi, plus le corps n

rayonnement est nergnergtique diminue : cnement devient visible rouge au violet.

En intgrant la densvolume des photons su), nous obtenons la c

avec E flux

constaLe soleil a une temp

nergtique, en provensolide reprsent par lsous la dnomination : -dire pour une masse

Abrviations

c-Si Silicium microcristallina-Si Silicium amorphe

CIS Chalcognures

Cz Tirage Czochralski

EMC Croissance lectromagntique

FZ Tirage par zone flottante

HIT Htrostructure

mc-Si Silicium multicristallin

pc-Si Silicium polycristallin

p-i-n Structure zone intrinsque

pm-Si Silicium polymorphe

p-n Structure jonction plane

RCC Cellule contacts arrires

Sc-Si Silicium monocristallin

Figure 1 Rayonnement du corps noir en fonction de sa temprature

1 700 K

1 600 K

1 500 K

1 300 K1 200 K

1 100 K

1 000 K

1 400 K

0 1 2 3 4 5

E()

(m)

clairement spectral (kW/m2 m)

Ultraviolet Visible Infra-rougeclairement solaire hors atmosphre (AM0)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I.

e du rayonnement

sur lintensit et lnergie transmise par lee un corps noir), hors atmosphre et aue rfrer aux articles consacrs au rayonne-triaux opaques [1] et semi-transparents [2]nieur, ainsi qu louvrage dAlain Ricaud [3]

res.

nt du corps noir : soleil phre, constante solaire

n premire approximation, que lnergie duhors de latmosphre suit la loi du rayonne-ure 1). En effet, pour de grandes longueursur des photons peu nergtiques, la loi don- rayonne (E(, T)) par unit de volume desalle de longueur donde d se rduit la loieans (1) :

, T) d = (8kT/4) d (1)oir met une temprature leve, plus sontique, et la longueur donde du maximumest la loi de dplacement de Wien. Le rayon-par lil humain pour des couleurs allant du

it moyenne dnergie totale par unit der toutes les frquences (ou longueurs dondelbre loi de Stefan-Boltzmann :

E(T) = T4 (2)nergtique par unit de surface, en W/m2,

nte de Stefan ( = 5,7 108 W m2 K4).rature de surface estime 5 760 K. Le fluxance de cet astre, intercept dans langle

a terre vaut : E0 = 1 350 W/m2. Il est connu

constante solaire hors atmosphre, cest-atmosphrique nulle (AM0, Air Mass 0).

1.2 Rayonnement peru au sol : rle de latmosphre

Pour la fabrication de cellules photovoltaques pour un usage ter-restre, il est ncessaire de connatre le spectre du rayonnementsolaire reu au niveau du sol (figure 2). Latmosphre terrestremodifie le spectre nergtique du rayonnement solaire par lactionde trois mcanismes principaux :

labsorption par les gaz : chaque gaz possde des raies carac-tristiques. Les plus marquantes sont, dans lordre des longueursdondes croissantes : lozone (O3), loxygne (O2), toute une srie deraies dabsorption, dues la vapeur deau (H2O), et dans linfra-rouge lointain au gaz carbonique CO2 ;

la diffusion molculaire de Rayleigh est cause par les mol-cules dair, dont la taille est trs infrieure la longueur donde de lalumire. La diffusion de Rayleigh varie en 4 et explique la couleurbleu du ciel clair et le passage de la couleur du soleil lorange et aurouge lorsquil est bas sur lhorizon (lorsque le soleil est bas, le trajetoptique augmente et contribue lattnuation des UV et des lon-gueurs donde du bleu) ;

la diffusion par les arosols (de taille semblable la longueurdonde de la lumire), par les poussires et les fumes (dont la tailledes particules varie de 0,5 10 m) provoque galement unevariation spectrale en n, avec n compris entre 0 et 4. Par contre,

Figure 2 Spectre de rayonnement du soleil

Courbe relative au corps noir 5760 K

clairement solaire au niveau de la mer (AM1)

Raies d'absorption par l'atmosphre

Composante diffuse (ciel clair)

O3

H2OO2 H2O

H2OH2OH2O

H2O

H2O CO2H2O CO2 H2O CO2

Longueur d'onde (m)0

O3

0

0,5

1,0

1,5

2,0

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2

Composante diffuse (lgre brume)

__________________________________________________________________________________________________________ LECTRICIT PHOTOVOLTAQUE

Toute repr

pour les gouttelettes deau des nuages, dont la taille est nettementsuprieure la longueur donde, la diffusion est sans variation despectre. Elle provient de lensemble des phnomnes de rflexion,rfraction et de diffraction.

Le rayonnement diffus des jours forte nbulosit peut reprsen-ter 10 15 % du rayonnement solaire arrivant au sol en provenancede toute la vote cleste. Il est sans orientation particulire, et il estdonc impossible de le concentrer au moyen de lentilles optiques.

Ainsi le rayonnement qui arrive au sol possde au moins deuxcomposantes : une composante diffuse (D) et la composante directe (I)qui peut tre collecte par des systmes optiques concentration. Letout forme le rayonnement global (G) qui est le rayonnement pris encompte pour la dtermination du rendement des cellules solaires.

Dans les rgions nordiques, o le ciel est souvent couvert, lerayonnement diffus peut reprsenter jusqu 80 % du rayonnementglobal, de sorte que lon peut poser directement les modules photo-voltaques au sol. Par contre, dans ce cas, on ne bnficiera plus delalbdo (figure 3), cest--dire de la fraction du rayonnementrflchi par un sol blanc (albedo en latin).

Par convention, le rayonnement global (G) peru au niveau du solest donn en fonction de lpaisseur atmosphrique effectivementtraverse (Air Mass x, AMx) par rapport lpaisseur normalise 1(x = 1) pour un soleil au znith (Air Mass one, AM1).

2. Physique du comphotovoltaque

Lobjectif de cette section est de prsenteques lments du modle physique du schsemi-conducteurs cristallins et de donnerrgissent la rpartition des lectrons lqet les mcanismes de la conduction lectrsur cette partie, qui relve de la physique qse rfrera louvrage dAlain Ricaud [3] sainsi que louvrage de Physique de ltat s

2.1 lectrons dans un potepriodique, schma de

Dans un cristal o les atomes sont lis faut faire appel la solution de lquation par Bloch en 1928, pour expliquer lexistenpermises spares par une bande dnerg

Pour ne pas rentrer dans des dtails ququantique des solides, il est suffisant debande suprieure permise pour les lectrotion du vecteur donde (k) de londe lectrphoton :

k = 2 /

La bande permise pour les lectrons dbande de conduction (Ec) avec des minimubande infrieure est appelle bande de vades maximums dnergie permise pour cest--dire des trous. Les bandes Ec et Ebande dnergie interdite Eg (g pour la dgap), et ne sont pas forcment en vis--visconducteurs nergie de bande interdite d

Exemple : on a un soleil sous AM1,5 lorsavec lhorizon, tel que lpaisseur datmosse est gale une fois et demi lpaisseur

Figure 3 Les trois composantes du rayonnement solaire global

h

DiffusDirect

Albedo

lectrons deconduction

Trouslgers

LourdsEg

Eg EgValle

infrieure

E = 0,36 = V

0

1

2

3

4

n

erg

ie (

ev)

AsGaSiGeoduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 578 3

posant

r en termes simples quel-ma de bandes dans les

les formules de base quiuilibre thermodynamiqueique. Pour plus de dtailsuantique des solides, on

ur les Photopiles solaires,olide de Kittel [4].

ntiel bandes

leurs proches voisins, ilde Schrdinger, proposece de bandes dnergies

ie interdite.

i relvent de la physique retenir quil existe unens dnergie (E) en fonc-

omagntique associe au

(3)

nergie (E) est appellems dnergie permise. Lalence (Ev) (figure 4) avec

les vacances dlectrons,v sont spares par unenomination anglaise de, do la notion de semi-irecte ou indirecte.

Il y a une absorption optique ds que lnergie dun photon inci-dent est suffisante pour dclencher le transfert dun lectron de labande de valence vers la bande de conduction. La dterminationexprimentale du seuil dabsorption optique constitue le moyen leplus simple de mesurer avec prcision la largeur de bande interdite.

La figure 5 donne la variation du coefficient dabsorption optique() en fonction de la longueur donde . Lintensit I de la lumireabsorbe une profondeur x dans le matriau suit la relation :

I(x) = I0exp[ ()x] (4)

partir de cette relation, on dtermine la profondeur dabsorption(chelle reporte droite de la figure 5) de chaque longueur dondedans le matriau. Les radiations de courtes longueurs donde danslultra-violet sont absorbes trs rapidement, cest--dire dans unezone proche de la surface du semi-conducteur. Le rayonnementinfrarouge est absorb sur une paisseur plus importante, dautantplus si le matriau est nergie de bande interdite indirecte, commecest le cas pour le silicium cristallin (c-Si sur la figure 5). Cettedpendance de la profondeur dabsorption la longueur dondelimite les performances des cellules (voir paragraphe 2.3.2).

Pour les semi-conducteurs nergie de bande de transitiondirecte (AsGa, CdTe, CuInSe2 ou silicium amorphe hydrogn (a-Si :H)), le front dabsorption en fonction de lnergie des photons, ou deleur longueur donde, est trs raide (figure 5). La transition de bandede valence bande de conduction est alors satisfaite sans faireintervenir une particule supplmentaire : le phonon, cette particuleest associe aux modes vibratoires du rseau du cristal. Elle rend la

que le soleil fait un angle phre effectivement traver- pour un soleil au znith.

Figure 4 Exemple de structures de bandes dnergie de semi-conducteurs gap indirects (Ge et Si) et direct (AsGa)

Exemple : les matriaux composs binaires, tels que larsnure degalium (AsGa) ou le tellurure de cadmium (CdTe), ou ternaires, commeles chalcognures (CuInSe2), sont des semi-conducteurs gap direct,alors que les semi-conducteurs de la colonne IV du tableau de classifi-cation priodique des lments, comme le silicium et le germanium(Si, Ge), sont gap indirect (figure 4).

-2

-1

[111] [100] [111] [100] [111] [100]k k k

L x L x L x


BE 8 578 4

probabilit dabsorptiongressif, comme cest le

Aprs cette analyse sons au caractre nergmcanique quantique dau photon pour franchlnergie de propagatio

avec E ner

Le produit hc, o h elumire, est une constaest exprime en micromreporte en haut de la fi

2.2 Semi-condet dops

Sous linfluence de bande de valence peufranchir la bande dnconduction.

2.2.1 Semi-conducteur intrinsque

Pour un semi-conducteur intrinsque, la probabilit de trouver untrou au-dessous du niveau dquilibre des charges, appel niveaude Fermi (EF), est la mme que celle de trouver un lectron au-des-sus du niveau de Fermi.

Pour une temprature donne T, les concentrations dlectronsdans la bande de conduction (nc(T)) et de trous (pv(T)) dans labande de valence sont gales nc(T) = pv(T), et le niveau de Fermi estsitu au milieu de la bande interdite (figure 6 a).

La concentration intrinsque des porteurs de charge (ni) est don-ne en faisant :

Eg/kT

ni = 1,6 1010 cm3 pour le silicium

o Nc et Nv sont des densits effectives dtats. Ils dsignent, res-pectivement, un nombre de places disponibles en bas ou en hautdes bandes de conduction et de valence.

2.2.2 Semi-conducteur dop

Figure 5 Absorption oet indirect

Exemple : il faut unabsorber le rayonnemematire suffisent pour a nergie de bande inte

Exemple : pour le sgale 1,12 eV, lnerginterdite est de 1,12 eVinfrieures 1,12 m sement solaire situe danres 1,1 m nest pas a(voir le paragraphe 2.3 s

102

10

104

104

106

106

2,5 2,0 1,5 1,25 1,15

400 600

nergie du photon (eV)

a-S

i:H

a-Si:H

dTe AsG

aAsGa

CdTe

c-Sic-

Si

Cu

InS

e 2

CuInSe2

100

10

Pro

fon

deu

r d

'ab

sorp

tio

n (

m)

Co

effi

cien

t d

'ab

sorp

tio

n (

cm1

)

1

0,1

0,01

ni2 ncpv NcNv exp= =Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I.

plus faible et le front dabsorption plus pro-cas pour le silicium.

du caractre optique du rayonnement, pas-tique du photon associ. Selon la loi de laquivalence, lnergie minimale ncessaireir la bande dnergie interdite est gale n lectromagntique de londe associe :

E = mc2 = hc/ (5)

gie de la particule.

st la constante de Planck et c la vitesse de lante gale 1,24 lorsque la longueur donde

tre et lnergie E en lectron-volt (chellegure 5).

ucteurs intrinsques

la temprature, quelques lectrons de lavent acqurir suffisamment dnergie pourergie interdite et passer dans la bande de

Un donneur est une impuret qui sest substitue lun des ato-mes du rseau, cest--dire un lment atomique, dont le nombredlectrons de valence est suprieur celui de latome du rseauquil remplace.

Pour le silicium, ces lments sont du groupe V du tableau prio-dique (P, AS, Sb). Sur les cinq lectrons de valence dun atome dephosphore incorpor au rseau de silicium, quatre servent tablirles liaisons chimiques covalentes et le cinquime se libre, sousleffet de la temprature, dans la bande de conduction. Latome don-neur est alors ionis positivement (figure 6 b).

Sachant qu temprature ambiante toutes les impurets sontdj ionises et que Nd est le nombre datomes donneurs, le nom-bre dlectrons n dans la bande de conduction est presque gal Nd+. Comme ces lectrons sont beaucoup plus nombreux que leslectrons librs par la temprature, le niveau de Fermi se dplacevers la bande de conduction.

Pour le silicium, o le nombre datomes est de 5 1022 cm3, uneconcentration dimpurets introduite dune part par million (ppm)reprsente une concentration dlectrons dans la bande de conduc-tion de 5 1016 cm3. Cette dernire est trois millions de fois plusimportante que celle des porteurs intrinsques. On dit alors que lematriau est dop de type n, ou plus simplement quil est de type n(figure 6 b).

Un semi-conducteur de type p du groupe IV est dop par une impu-ret qui sest substitue lun des atomes du rseau cristallin maiscette fois-ci, limpuret est du groupe III (B, Al, Ga), et elle comportetrois lectrons de valence (un de moins que latome quil remplace).Les liaisons manquantes (on parle de dfauts dlectrons de valence)sont dcrites comme des trous positifs p, dont la concentration estgale celle des accepteurs Na, en ngligeant les trous librs par latemprature. Limpuret sionise ngativement. Le niveau de Fermi sedplace alors vers la bande de valence (figure 6 c).

2.2.3 Jonction de deux semi-conducteurs dops

Si maintenant on runit deux semi-conducteurs de mme bandeinterdite (figure 7 a), lun dop n (avec une concentration de phos-phore Nd de 2 10

15 cm3), lautre dop p (avec une concentration

de bore Na de 1015 cm3), il se forme la jonction entre ces deux

matriaux une zone de transition. Afin de conserver lquilibre descharges, on a : qNa = qNd (figure 7 b), et on appelle cette rgionzone de charge despace ou zone de dpltion.

ptique des semi-conducteurs gap direct

e paisseur de silicium de 200 300 m pournt solaire alors que quelques micromtres debsorber le rayonnement pour les matriaux ditsrdite directe.

ilicium, o lnergie de bande interdite Eg estie minimale apporter pour franchir la bande (figure 4), et toutes les longueurs dondes ront absorbes (figure 5). La partie du rayonne-s linfrarouge de longueurs dondes suprieu-bsorbe et traverse la matire sans interactionur les pertes).

Longueur d'onde (nm)800

C

1 000 1 2001 000


Toute repr

Le niveau de Fermi de la rgion dope n ela bande de conduction que le niveau de lev. De mme, le niveau de Fermi de la rde la bande de valence. La diffrence dnerFermi est gale la diffrence entre leuComme ces potentiels doivent sgaliser, dnergie qVb la jonction entre les banvalence respectives des deux semi-conduniveau de Fermi rsultant de la runion deque tout en restant proche de la bande dedope n et proche de la bande de valen(figure 7 c). Cette barrire de potentiel (figrant de majoritaires, cest--dire aux lectroteurs dops n, ou aux trous, ceux dops p, la rgion o ils sont peu nombreux. Le chdans la zone de transition est reprsent figtions en trous et en lectrons sont donnes

En ralit, dans une cellule photovoltaqest trs dissymtrique : le ct p, appel basune grande partie du rayonnement solaire (200 300 m) et peu dop en atomes de b

Figure 6 Dopage des semi-conducteurs

Si Si Si

Eg

Bande deconduction

Bande devalence

E

Ec

Ec

Ec

EaEv

Ed

Ev

Evin

trin

sq

ue

Ef

Ec

Ef

Ev

E

E

P+ typ

e n

typ

e p

Nd+ Ef

Ec

qe

B

+qe

+ +

n e Nd+

n p = ni2

nc = Nc exp [ (Ec Ef)/kT]

pv = Nv exp [ (Ef Ev) /kT]

nc = ni

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si

Si Si

ab

cpv = ni

Ef

Evoduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 578 5

st dautant plus proche dedopage au phosphore estgion dope p est prochegie entre leurs niveaux ders potentiels chimiques.

il apparat une diffrencedes de conduction et decteurs dops n et p. Les deux matriaux est uni- conduction dans la zonece dans la zone dope pure 7 d) soppose au cou-ns, pour les semi-conduc-qui tendent diffuser versamp lectrique qui rgneure 7 e, et les concentra-

sur la figure 7 f.

ue au silicium, la jonctione, est pais pour absorbertypiquement de lordre deore lors de sa fabrication

(typiquement une concentration de 5 1015 1 1016 cm3). Le ctn, appel metteur, est expos la lumire et est dop par une diffu-sion datomes de phosphore sur une trs faible paisseur (typique-ment de lordre de 0,3 m) une forte concentration, proche de lasolubilit limite de llment dans le silicium (de 1 2 1020 cm3).Ainsi la barrire de potentiel maximale est de : vB = 0,9 V.

Les porteurs minoritaires (trous de la rgion n et lectrons de largion p) vont migrer sous laction du champ interne qui favoriseleur passage dans la rgion oppose leur rgion dorigine. Ils don-nent naissance deux courants inverses de minoritaires qui saddi-tionnent pour sopposer au courant de diffusion des majoritaires.

2.3 Effet photovoltaque

2.3.1 Gnration dune paire lectron-trou

Chaque photon incident de la lumire du soleil, ou de tout autrecorps lumineux, cre dans le rseau cristallin du semi-conducteur

E

Ef

Ec

Ef

Ev

+

+ + + +

Ne

Densit d'tatsN (E)

Densit de porteursn et p

0 0,5 1F (B)

n

n p = ni2

p e Na

p


BE 8 578 6

une paire lectron-trouprovoquer la monte dorigine thermique dconduction.

2.3.2 Courant gnr dans une cellule jonction n-p

La figure 9 reprsente la jonction n-p dune cellule solaire p+n,dont la hauteur de barrire, qVB, est au mieux gale 0,9 eV (q dsi-gne la charge de llectron). Un courant y circule, dont lintensit (i)dpend des valeurs caractristiques relatives lmetteur, la zonede dpltion et la base.

Figure 7 Formation dconducteurs dops

Figure 8 Gnration dcristallin du silicium

Concentrationdes impurets

Nd Na Nd (2 1015 cm 3)

Na(1015 cm 3)0

nergiedes lectrons

E

EF

Ec

Ei

Ev

+ xa

qVb

x

Potentiellectriqueinterne(en volts)

Eiq

p

=

Champlectriqueinterne(en V/m)

0

106

E

x

Concentrationsdes trous etdes lectronspar cm3

(chellelogarthmique)

nop

pop

pn et

Charged'espace

Rpartitionidalise

rpartition relle0

qNa

qNd

x0

0 NP

Niveau de Fermi

Zone de transition

a

b

c

Motif cristadu Si

Figure 9 Schma de bande de la jonction n-p dune cellule solaire

u w w 0

qVB

g

+

r

P0Ev

Ec

Eg = 1,12 eV

e x

n0Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I.

(figure 8), si son nergie est suffisante pourdlectrons supplmentaires aux lectronse la bande de valence vers la bande de

Le courant rsulte des taux nets de gnration (g(x, ph)) et derecombinaison (r(x, ph)) de photo-porteurs, et est donn par :

(6)

i = iph id (7)

avec ph flux de photons incidents, iph courant photognr une profondeur x,

id pertes de courant dans la diode jonction n-p.

2.3.3 Pertes de paires lectron-trou

Les plus importantes pertes non compressibles sont les pertesradiatives dues aux photons trop nergtiques (ultra-violet : UV) oupas assez nergtiques (infrarouge : IR) pour gnrer une pairedlectron-trou :

les photons IR, qui ne sont pas absorbs par la cellule, traver-sent tout le matriau (zone hachure A de la figure 10). La perte ennergie due aux photons IR reprsente 18 % de lnergie incidente ;

les photons UV ne gnrent quune seule paire dlectron-trou. Lexcdent dnergie est transfr au rseau sous forme dechaleur et contribue lever la temprature de la cellule en fonc-tionnement (zone hachure B de la figure 10). La perte en nergiedue aux photons UV reprsente 28 % de lnergie incidente.

Il reste donc en thorie un rendement de conversion potentiel de54 %. Malheureusement, il existe dautres pertes qui sont doriginelectrique et optique.

Parmi les plus importantes pertes dorigine lectrique, on cite laperte en tension. En effet, si la hauteur de barrire maximale est de

une jonction p-n entre deux semi-

es paires lectron-trou dans le rseau

Barrirede potentiel

n

Vb ~ 0,7 Vx

(micron)

xn xp 0 x

n0

non

ponp0

2 1015

5 1010 2,5 1010

1015

x

d

e

f

llin Photon incident

Trouphotognr

lectronphotoexcit

Exemple : voici les dimensions typiques dune cellulephotovoltaque :

la zone dope, n0, appele metteur (E), prsente une concentra-tion en atomes de phosphore de 1 2 1020 cm3, son paisseur estu = 0,3 m ;

la zone de transition (de charge despace ou de dpltion), w, delordre de 0,3 m, et stend presque totalement dans la zone moinsdope p0 ;

la zone dope p0, appele base (B), a une faible concentrationdatomes de bore, de 5 1015 1 1016 cm3 ; son paisseur e est delordre de 200 300 m, afin dabsorber la partie proche infrarouge durayonnement solaire.

i g x ph,( ) r x ph,( )= .


Toute repr

lordre de 0,9 V pour le silicium, les meilleures tensions en circuit-ouvert (Voc) sont de 600 mV et au maximum de 700 mV pour les cel-lules trs haut rendement.

Le facteur de forme de la courbe paragraphe 3.1) est aussi un facteur impoles recombinaisons des porteurs en surfaclule (la diode nest pas une diode parfaite)et shunt des contacts. La grille mtalliquesur la face frontale couvre 5 7 % de la su

Le silicium rflchit 30 % de la lumirevent tre rduites par le dpt dune couchlindustrialisation, le dpt tait base dpt de nitrure de silicium hydrogn SiNbonnes proprits anti-reflet (avec un taux3 4 %) et surtout pour sa passivation de

Dautres procds permettent damlior la structuration de la surface en pyram

dabeilles augmente le pigeage de la lum le dpt de couches de passivation s

duction dun sur-dopage n+ sous les doigrduisent les pertes par rsistance srie de

lapplication dun champ lectrique pnue la recombinaison des porteurs gnr

Ces oprations technologiques coteuselaboratoire un rendement lev, avec un rerendement thorique [5]. Le cot reste tounant pour les cellules industrielles, dont lau moins 8 points de rendement au-dess

3. Caractristiqueset rponse spect

3.1 Paramtres caractristet rendement de convedune cellule

Comme nous lavons dcrit prcdemmepar la relation (7) :

i = iph id

o (id) le courant dobscurit circulant dans la jonction est gal :

id = i0 [exp(qV/kT) 1] (8)

La densit de courant de court-circuit (icc), dtermin pour V = 0,est directement proportionnel lclairement (iph) :

icc = iph (9)

On en dduit la tension en circuit-ouvert (Vco) par annulation ducourant :

Vco = kT ln(iph/i0 + 1)/q (10)

La puissance dbite par la cellule est : P = I V, et au point defonctionnement maximal m :

Pm = ImVm (11)

Le facteur de remplissage (ou de forme) FF est dfini par lerapport :

FF = ImVm/(iccVco) (12)

Le rendement de conversion nergtique (C) de la cellule est le

Figure 10 Pertes des porteurs photognrs par transmission et excs dnergie

02

Radiance

EG silicium (T = 300 K)

(Wcm-2m-1)

01

0,5 1 1,5 2 (m)

0A

Boduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 578 7

de la diode (dfini aurtant de pertes, ainsi quee ou en volume de la cel- avec une rsistance srie de collecte des charges

rface totale.

, les pertes optiques peu-e anti-reflet. Au dbut dede TiO2. Maintenant, un (H) est prfr pour ses rsiduel de rflexion de

surface et de volume.

er le rendement :

ides inverses ou en nidire ;ur les surfaces et lintro-ts de la grille de collectes contacts ;+ sur la face arrire dimi-s trop prs de cette face.

s permettent dobtenir encord de 24,7 % proche dutefois un facteur dtermi-es rendements se situentous de la valeur record.

I-V rale

iques rsion

nt, le courant sera donn

plus souvent donn sous la forme suivante, en fonction des gran-deurs mesurables :

C = FFiccVco/Pincid (13)

avec Pincid puissance incidente.

Par convention, le rendement de conversion dune cellule est tou-jours mesur pour une puissance incidente de 100 mW/cm2 et unspectre solaire correspondant un soleil sous AM1,5.

Exemple : la cellule reprsente sur le graphique de la figure 11 aune densit de courant icc gale 33 mA/cm

2, une tension Vco de0,56 V et un FF gal 0,81, elle a un rendement de conversion (C) de15 %.

Figure 11 Schma et caractristiques I-V dune cellule

0

5

10

15

20

25

30

35

40

i cc(

mA

/cm

2 ) e

t P

(mW

/cm

2 )

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6V (volt)

Contact avant

Contact arrire

Tension lectrique

Rayonnement solaire

Couche de type n(conductivit des lectrons)

Couche de type p(conductivit des trous)

Jonction n p(champ lectrique)


BE 8 578 8

3.2 Rendement quantique dune cellule

Le courant photognr (iph()) sur toute lpaisseur e dunebase dune cellule est la somme de trois contributions :

la premire, relative labsorption des photons, est en exp( x) ; la deuxime dpend de la cration de paires lectron-trou que

lon peut considr comme gal 1 ; la troisime, en rapport avec la collecte des lectrons, dpend

de la longueur de diffusion des porteurs LD dans la zone o ils sontminoritaires.

La longueur de diffusion des porteurs minoritaires LD (cest--diredes lectrons Ln de la base ou des trous Lp de lmetteur) est dter-mine par la qualit du matriau et par son niveau de dopage.

LD = (D )1/2 = [(kT/q) ]1/2 (14)

avec D = (kT/q) coefficient de diffusion des lectrons oudes trous,

(m2/V s) mobilit des lectrons et des trous, dure de vie des lectrons et des trous (n

ou p).

Le rendement quantrapport du courant phoph. Il est la somme drelatives lmetteur (E

Q() =

Afin de simplifier la tielles, on considre g

le photocourant dcourant de trous minor

dans la base dun dans la zone de

intense qui y rgne, tores et collectes.

On peut ainsi exprim(appel galement rpdabsorption, de lpaisporteurs minoritaires quantique de la cellule teur on remplace Ln par

Le rendement quanti

Q()w

La figure 12 montre (metteur, zone de charla rponse globale. complmentaires :

lmetteur exploitpntrent que trs peu

la zone de dpltiodu visible (avec un max

la base soccupe dlimite dabsorption du s

Limportance relativeastucieuse des param

coefficient dabsor profondeur de jon

longueur de diffusion ; vitesses de recombinaison des trous et des lectrons respecti-Exemple : pour 2

p = 600 cm2/V s.

Q ( )iph

q0-----------= =

Figure 12 Rponse spectrale dune cellule (rendement quantique)

100

80

60

40

400 500

zone de charge

Total

Base

metteurContribution des photons rflchis sur la face arrire

600 700Longeur d'onde (nm)

Ren

dem

ent

qu

anti

qu

e to

tale

(%

)

800 900 1 000

20

0Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I.

ique dune cellule (Q()) est donn par letognr iph sur le flux de photons incidentses rendements quantiques des trois zones), la zone de dpltion (w) et la base (B).

Q()E + Q()w + Q()B (15)

rsolution du systme dquations diffren-nralement que :metteur est essentiellement compos dunitaires ;courant dlectrons minoritaires ;charge despace, compte tenu du champ

utes les paires y sont immdiatement spa-

er le rendement quantique de la celluleonse spectrale) en fonction du coefficientseur (e) et de la longueur de diffusion des

LD. Lexpression simplifie du rendementpour la base (Q()B) sexprime (pour lmet- Lp) :

(16)

que dans la zone de dpltion est :

= exp e(1 exp w) (17)

la rponse spectrale dtaille des trois zonesge despace et base) de la cellule, ainsi queOn note que les contributions sont

e les photons les plus nergtiques qui nedans le matriau ;n est sensible aux radiations intermdiairesimum dans le jaune) ;es photons de plus basse nergie jusqu lailicium 1,1 eV.

des trois zones dpend dune utilisationtres suivants :ption ;ction ;

vement sur la face avant (Sp) et arrire (Sn). Il est noter que larecombinaison en surface est dautant plus importante que ledopage est lev.

4. Convertisseur photovoltaque

4.1 La cellule, un lment gnrateur de courant

Il est souvent trs utile pour les utilisateurs et installateurs de sys-tmes photovoltaques de considrer la cellule en tant quun l-ment gnrateur de courant.

4.1.1 Schma quivalent dune cellule solaire

Le schma quivalent dune cellule solaire (figure 13) comprendle gnrateur dnergie, dont le courant iph est proportionnel lclairement. Le courant i, dfini par la relation (7), circule dans lecircuit extrieur (cest--dire dans la charge et dans la rsistancesrie Rs). Il est gal au courant iph moins le courant perdu dans ladiode id qui circule dans la rsistance de shunt Rsh.

Les valeurs de Rs rsistance srie et Rsh de shunt doivent tre trsfaibles pour la premire et leves pour la seconde. Les valeurs typi-ques sont :

Rs = 0,5 2 cm2

Rsh = 2 103 2 104 cm2

le silicium, n = 1 500 cm /V s et

Ln

Ln 1+-------------------- 1 e 1

1

Ln----------+

exp

Exemple : les valeurs typiques pour un metteur n+ dop avec des atomes

de phosphore Nd = 5 1019 cm3 sont : Dp = 1 cm

2/s, Lp = 1 m,p = 108 s, Sp = 103 cm/s ;

les valeurs typiques pour une base p dope avec des atomes debore Na = 1,5 10

16 cm3 sont : Dn = 20 cm2/s, Ln = 140 m,

n = 105 s, Sn = 102 cm/s.


Toute repr

4.1.2 Performances relles dun

Les performances relles dune cellule (cest--dire de 100 cm2), une tempraturdonnes sur la figure 14.

Le courant de court-circuit est propo(i = iph). Le courant dbit dans le circuit expour une intensit du rayonnement solalordre 300 mA pour une intensit du rayon

Pour une journe sans soleil direct avec lordre de 100 W/m2, la tension chute de lordre de 520 mV. Dans ce cas, le courannest plus ngligeable.

4.2 Le module photovolta

Les cellules individuelles sont assembl(les tensions sadditionnent, figure 15 a) rants sadditionnent, figure 15 b). On ralistovoltaques.

Les cellules sont tries par le fabriquanprs toutes les mmes caractristiques emauvaise cellule, cest--dire celle de rsisne dtermine les performances de lensem

Un module relativement courant est repCe module de 75 W de la Socit Photowa36 cellules de 12,5 cm 12,5 cm et de 300 en quatre ranges de neuf cellules. Deuxsrie, ainsi on peut choisir une tension m(montage parallle des deux sries de 18 cles sries sont en srie).

Avec son cadre en aluminium, la tail124 cm 56 cm, alors que les cellules o

Figure 13 Schma quivalent dune cellule

Figure 14 Courant dbit et tension aux

Iph Vj

R's

Rsh

B

A

Id (Vj)V R

D

CI

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

00 0,1 0,2 0,3 0,4

1 000W/m2

750 W/m2

450 W/m2

300 W/m2

100 W/m2

Courant (A)

Vi

Ns NsVi

NsViVi

R'

I+

+

+

Ii

V

NpIi1/R''

I

I

+ + +

I

I

V

1 G

R

G

a

boduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 578 9

e cellule solaire

solaire de 10 cm de cte maintenue 25 C, sont

rtionnel lclairementtrieur est de 3,2 ampresire de 1 000 W/m2 et denement de 100 W/m2.

un rayonnement diffus de580 mV une valeur det iD perdu dans la diode

que

es en montage en srieou en parallle (les cou-e ainsi des modules pho-

t afin quelles aient peut pour viter que la plustance srie la plus leve,ble.

rsent sur la figure 16.tt S.A. [6] se compose dem dpaisseur, montes ranges de neuf sont enaximale de lordre de 9 Vellules) ou de 18 V (toutes

le de ce module est deccupent une surface de

5 625 cm2. Le rapport entre ces deux surfaces (Tf) est appel taux defoisonnement. Cest le taux doccupation en cellules du module.

Pour assurer, par exemple une recharge dune batterie de 12 V, unsystme de diode anti-retour et un systme de contrle de la chargecomplte linstallation.

bornes dune cellule

0,5 0,6Tension (V)

Figure 15 Assemblage en srie et en parallle de cellules

Figure 16 Assemblage en srie et en parallle de cellules en module. Photo dun module de 75 W de la socit Photowatt S.A.

Exemple : pour le modle de module de la figure 16, le taux Tf estgal :

Tf = 81 %

V V

Np

Ii

R''

1


BE 8 578 10

4.3 Problme du stockage de lnergie photovoltaque

Il est ncessaire de stocker llectricit chaque fois que la demandenergtique est dcale dans le temps par rapport lapport du soleil.Les dures de stockage peuvent tre trs variables, de quelques heures(passage de nuages), dune nuit, plusieurs jours ou plusieurs moispour des systmes autonomes, et selon le degr que lon se fixe auniveau de la scurit dapprovisionnement.

Lintrt des accumulateurs lectrochimiques est la disponibilitdune tension quasiment constante. Le point de fonctionnement estfix, par cette tension, sur une droite. Celle-ci doit tre aussi procheque possible de la droite dfinissant la charge optimale dun gn-rateur photovoltaque.

Les plus anciennes et les plus robustes, pour de profondesdcharges, restent les batteries au plomb. Les accumulateurs dutype Cd-Ni devront tre abandonns en raison de la prochaine inter-diction du cadmium. Dsormais on se tourne davantage vers lesaccumulateurs qui utilisent un lectrolyte liquide (ions lithium dansdu bisulfure de titane) et qui ont une grande capacit de stockage,une bonne stabilit en temprature et une tanchit parfaite.

Le stockage est le mdlectricit photovoltaest souvent infrieuredcharges profondes. Lest un autre point faible2 4 ans lnergie dpesa dure de vie, en revbatteries est de deux vie de certaines batterie

De ce fait, llectricitavec un stockage par basystmes connects aurgent de lancer des pbatteries (par exemple dure de vie et de rendcelle des modules.

La baisse des cots ede trois facteurs : le code lnergie et du rende

4.4 Effet de la sur le mod

La temprature duticomportement des cellson de leur exposition(plus communment amieux de lordre de 15 %en chaleur (environ 80 %

Ainsi en labsence ducellule et du module peOn observe alors une lla diminution de la largsignificative de la tensiotation du courant direct

En rsum, laugmebaisse de la puissance du point de puissance mvaleur de la charge. Du12 % en relatif du renmodule.

8

6

4

2

00 5 10 15 20 25

Courant (A)

Tension (V)Incid. Irrad = 1 000 W/m2

Cell Temp = 10 C, Pmpp = 108,1 WCell Temp = 25 C, Pmpp = 100,5 WCell Temp = 40 C, Pmpp = 92,9 WCell Temp = 55 C, Pmpp = 85,4 WCell Temp = 70 C, Pmpp = 77,9 WToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I.

aillon faible dun ensemble de productionque : en effet, la dure de vie des batteries trois ans, pour des cycles avec dese temps de retour nergtique de la batterie. Si le module photovoltaque rembourse ennse pour sa fabrication, soit un dixime deanche, le temps de retour nergtique des

quatre ans, et donc suprieur la dure des.

photovoltaque dlivre en courant continu,tterie, est proche de 1,5 /kWh. Alors que lesux rseaux sont 0,5 /kWh. Il est doncrogrammes de recherche sur de nouvellessur les batteries Li-Ions) afin dallonger leurre cette dernire la plus proche possible de

t le dveloppement du march dpendrontt du gnrateur photovoltaque, du stockagement global du systme.

temprature dutilisation ule photovoltaque

lisation est un paramtre important dans leules et des modules photovoltaques en rai- un flux nergtique solaire de 1 kW/m2

ppel irradiance). Avec une conversion au, cette nergie est majoritairement dissipe), le reste tant rflchi (environ 5 %).

ne ventilation correcte, la temprature de laut monter plus de 70 C midi (figure 17).gre augmentation du courant en raison deeur de la bande interdite et une diminutionn ( 0,4 %/K) en raison dune forte augmen-

de la diode [6].

ntation de temprature se traduit par une( 0,35 %/K) et surtout par un dplacementaximum, qui ncessite une adaptation de larant lt, la perte peut reprsenter jusqudement de conversion effectif moyen du

4.5 Modules hybrides photovoltaque-thermique

En France, une autre stratgie a t propose en 2005 par lOfficeParlementaire dvaluation des choix scientifiques et techniques.Cest le plan Face Sud de la loi sur lnergie, qui prvoit linstallationde capteurs hybrides sur 50 000 toits pour la dcennie en cours. Ilvise rduire le surcot dune maison zro mission avec unetoiture qui occupe toute la face sud et qui combine les fonctionscouverture, production dlectricit et chauffage de la maison.

Dans cet habitat innovant, la chaleur est rcupre sur la facearrire des modules en les refroidissant. On augmente ainsi jusqu25 % le rendement de conversion de ceux-ci, et on chauffe la maisonpar un rseau de circulation de la chaleur dans le plancher. Avec unsurcot de moins de 3 % sur le total de la construction, cet habitatest en mesure de produire plus dnergie quelle nen consomme.

Le module hybride Face Sud est une enveloppe du btiment utili-se pour raliser des toitures ou des faades. Il est vendu au mtrecarr. Lassociation des fonctions enveloppe, lectricit et chauffagerend ce procd trs rapidement attractif (figure 18).

4.6 Champs de modules et cellules sous concentration

Afin dobtenir des puissances de quelques kilowatts quelquesmgawatts, sous une tension convenable, il est ncessaire dasso-cier entre eux, les modules en panneaux et de les monter en ran-ges de panneaux en srie et en parallle. Comme les modulesnont pas tous une caractristique identique, il y a des rgles dasso-ciation pour coupler de faon optimale les modules dune mmeligne.

Loccultation partielle dune cellule, dun groupe de cellules oudun module de lensemble du champ, se traduit par une transfor-mation du gnrateur en rcepteur (charge rsistive) : au lieu degnrer de lnergie, cette zone en reoit de la part des autres l-

Figure 17 volution des performances dun module photovoltaque en fonction de la temprature dutilisation


Toute repr

ments bien clairs. Elle doit alors dissipequi peut dpasser largement la capacit denest pas vacue correctement, les dgraet peuvent aller jusqu lincendie. La protsiste mettre des diodes de contournemenles points chauds, hot-spot .

Une autre faon daugmenter le courapar une mise en parallle des cellules, connement solaire laide de lentilles sur une foyer (voir figure 19).

Des facteurs de concentration (nc) de 10courant photognr est en thorie multiples pertes rsistives et thermiques sont mmente, un peu, selon la relation :

Vco = kT ln(nc iph/i0 + 1

Les cellules, installes dans les systmevent une puissance lumineuse quiva500 soleils. Elles doivent donc tre imprdes radiateurs efficaces afin dvacuer lnnire rsulte dune part des pertes ohmiqrant dbit dans la rsistance srie Rs , etperdue par thermalisation et qui est la dabsorbe et celle photo-gnre.

Figure 18 Schma de principe dun module hybride (capteur photovoltaque et capteur air)

Figure 19 Exemples de modules photovode concentration

Isolant

Partie opaque(cellule PV)

Partie transparente(Vitrage)

Absorbeur

Couverture

Rayonnement solaire

a Source : Sunpower, USA b ConceLent

secon

Valeur annuelleoduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 578 11

r une nergie thermique sa structure. Si lnergiedations sont redoutablesection la plus simple con-t, by-pass , pour viter

nt dbit, autrement quesiste focaliser le rayon-cellule refroidie place au

500 sont possibles. Leli par le mme facteur, siatrises. La tension aug-

)/q (18)

s concentration, reoi-lente celle de 10 ativement refroidies avecergie dissipe. Cette der-

ues : i2 Rs due au cou- dautre part par lnergieiffrence entre lnergie

4.7 Dimensionnement dune installation photovoltaque

Lnergie solaire globale, G, rayonne au niveau du sol en Francepar an et par mtre carr est donne sur la figure 20. Par conven-tion, le rendement de conversion dune cellule est toujours mesurpour une puissance incidente de 100 mW/cm2 et un spectre solairecorrespondant un soleil sous AM1,5. Le rayonnement global, G,peru au niveau du sol est donc souvent donn en fonction dunombre total dheures quivalentes un plein ensoleillement, cest--dire pour un flux nergtique (puissance) en provenance du soleilau niveau du sol de Esol = 1 000 W/m

2, que lon peut trouver dans lalittrature sous la dnomination constante solaire au niveau dusol.

Si on choisit Lyon, comme lieu dimplantation dune installationphotovoltaque qui assure les besoins dune famille franaise dequatre personnes en nergie lectrique, on aura en moyenne lqui-valent de 1 500 h de plein ensoleillement par an.

La consommation de la famille en nergie lectrique est estime 5 MWh/an. Ce chiffre ne prend pas en compte les besoins de chauf-fage et de production deau sanitaire, qui reprsentent souvent 80 %dune consommation totale dnergie de lordre de 25 MWh/an, et quipeuvent tre satisfaits soit par des nergies fossiles ou, de prf-rence, par des capteurs solaires thermiques.

On dispose de cellules identiques celle de la figure 14. Le rende-ment de londuleur, qui convertit le courant continu en courant alter-natif, est gnralement de lordre de 90 %. On calcule en premier lenombre de cellules indispensables pour assurer lnergie stricte-

ltaques avec lentilles

ntrateur HISICON (CEA, Fr)ille de primaire + lentilledaire colle sur la cellule

Figure 20 Valeurs annuelles du rayonnement solaire reu en France sur un plan dinclinaison gal la latitude et orient vers le sud (en kWh/m2). En italique : valeurs annuelles en heures pour un rayonnement solaire maximum de 1 kWh/m2

Moins de 1 220 1 220 h

de 1 220 1 350

de 1 350 1 490

de 1 490 1 620

de 1 620 1 760

plus de 1 760 1 760 h


BE 8 578 12

ment ncessaire, puis le nombre de modules de 36 cellules. Enfin,on dtermine la surface rellement occupe, et le rendement globalde linstallation pour le taux de foisonnement est donn auparagraphe 4.2.

Les modules doivent tre installs avec un angle dinclinaison parrapport au sol gal la latitude du lieu pour tre dans une positionoptimale sur lanne, coptimiser pour lt, onde dclinaison maximumoiti de 23. On augm

Le rendement de conparagraphe 3.1 (relation

= FF

Le point de puissancment, pour la cellule dfigure 21 : on mesure len bleu), et on en ddui(icc/Vco) avec la courbe facteur de forme FF pument.

On trouve pour la Im = 2,7 A. Son rendem

On en dduit lnergie lectrique annuelle (Ee) pouvant tre pro-duite par mtre carr, compte tenu du rendement de conversion de13,5 % :

Ee = C puissance rayonne maximale par m2 nombre dheures de plein soleil

Ee = 0,135 1 000 W/m2 1 500 h = 202,5 kWh/m2 an

Comme les besoins sont de 5,56 MWh/an (en tenant compte despertes dans londuleur), le nombre minimum de mtres carrs estde 27,46 m2, soit 2 746 cellules de 100 cm2 ou 77 modules entiers de36 cellules. Si le taux de foisonnement Tf est de 81 %, la surface duchamp Sch de module est de :

Sch = nombre de modules 1/Tf surface des cellules

Sch = 77 1,235 36 0,01 = 34,23 m2

Si un champ de 34,23 m2, qui reoit une nergie solaire Lyon de51,34 MWh/an, est ncessaire pour produire effectivement lesbesoins de 5,56 MWh/an, on en dduit que le rendement global Gde linstallation nest que de 10,8 %.

isols ou connects des rseaux seront donns, ainsi que lvolu-

Figure 21 Dtermination graphique du facteur de forme FF

I

IccIm

0 Vm Vco V

FF = ImVm / IccVcoPm

[1] HUETZ-AUBERT (M.mique des matriaude lIngnieur, dodocumentaire : Archi

[2] HUETZ-AUBERT (M.DIANOUS (P.). Rdes matriaux semi-tde lIngnieur, dodocumentaire : GniToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I.

cellule de la figure 14 que Vm = 0,5 V etent de conversion C est de 13,5 %.

tion du march et des prix du kilowattheure photovoltaque lhorizon 2040.

Rfrences bibliographiques

). Rayonnement ther-x opaques. Techniquesssier [A 1 520], baseves nergie (1992).

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[6] YASUI (R.K.) et SCHMIDT (L.W.). Proc 8th

IEEE PV specialists Conf, p. 110 (1970).est--dire 45 pour Lyon. Si lon prfre diminuera cet angle de la moiti de langlem du soleil aux quinoxes, cest--dire de laentera du mme angle pour lhiver.

version nergtique de la cellule, dfini aus (12) et (13)), est gal :

icc Vco/Pincid = Im Vm/Pincid

FF = Im Vm/icc Vco

e maximum, Pm, se dtermine graphique-e la figure 14, de la faon indique sur lae courant en fonction de la tension (courbet icc et Vco. Lintersection de la droite de pentebleue donne Pm, Im et Vm. On calcule alors leis le rendement, ou directement le rende-

5. Conclusion

Dans ce premier dossier, consacr la production dlectricit parconversion de la lumire du soleil laide de cellules solaires, le buttait de donner au lecteur un minimum de connaissances des prin-cipes de la conversion photovoltaque, incluant des notions relati-ves lnergie transmise par le soleil, ainsi que quelques lmentsde physique des semi-conducteurs et des principaux mcanismesde transport des charges lectriques. Les caractristiques lectri-ques fondamentales (tension, courant et rendement de conversion)du dispositif photovoltaque et son usage en tant que gnrateur decourant (convertisseur lumire-lectricit) ont t donnes ainsiquune valuation rapide du dimensionnement dune installationphotovoltaque.

Dans le dossier [BE 8 579], les diffrentes filires dlaboration dudispositif photovoltaque de la cellule classique ( base de siliciummassif) aux couches minces sont abordes ainsi que les potentiali-ts dautres matriaux semi-conducteurs binaires ou ternaires etorganiques. Des exemples dapplication du photovoltaque en site

lectricit photovoltaque1. Physique du rayonnement solaire1.1 Rayonnement du corps noir: soleil hors atmosphre, constante solaire1.2 Rayonnement peru au sol: rle de latmosphre

2. Physique du composant photovoltaque2.1 lectrons dans un potentiel priodique, schma de bandes2.2 Semi-conducteurs intrinsques et dops2.2.1 Semi-conducteur intrinsque2.2.2 Semi-conducteur dop2.2.3 Jonction de deux semi-conducteurs dops

2.3 Effet photovoltaque2.3.1 Gnration dune paire lectron-trou2.3.2 Courant gnr dans une cellule jonction2.3.3 Pertes de paires lectron-trou

3. Caractristiques3.1 Paramtres caractristiques et rendement de conversion dune cellule3.2 Rendement quantique dune cellule

4. Convertisseur photovoltaque4.1 La cellule, un lment gnrateur de courant4.1.1 Schma quivalent dune cellule solaire4.1.2 Performances relles dune cellule solaire

4.2 Le module photovoltaque4.3 Problme du stockage de lnergie photovoltaque4.4 Effet de la temprature dutilisation sur le module photovoltaque4.5 Modules hybrides photovoltaque- thermique4.6 Champs de modules et cellules sous concentration4.7 Dimensionnement dune installation photovoltaque

5. ConclusionRfrences bibliographiques

ti module pv marché 1

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