Sommaire technologies photovoltaïque    Définition     Principe de fonctionnement  Le processus de fabrication des cellules au silicium cristallin   Silicium polycristallin           Silicium monocristallin      Silicium amorphe  Puissance maximum MPP/tension de sortie      Effet de l’éclairement sur le panneau solaire.      Effet de la température sur le panneau photovoltaïque.      Le module photovoltaïque    La diode bypass      Le rendement énergétique    La technologie photovoltaïque    Vidéo fabrication d'une Cellule Photovoltaïque

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►Définition le photovoltaique à belfort. Le mot "photovoltaïque" (PV) vient de "photo", la lumière en grec ancien, et du nom de l’inventeur de la pile électrique Alessandro Volta qui a donné son nom au "volt". Les technologies photovoltaïques convertissent donc la lumière du Soleil en électricité.

La silice se trouve dans la nature sous forme compacte (galets, quartz filonien par exemple), ou sous forme de sable plus ou moins fin. On l'obtient aussi industriellement, sous forme pulvérulente. En tant que semi-conducteur, le silicium est aussi l'élément principal utilisé pour la fabrication de cellules solaires photovoltaïques. Les semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. Les semi-conducteurs sont primordiaux en électronique, car ils offrent la possibilité de contrôler, par divers moyens, aussi bien la quantité de courant électrique susceptible de les traverser que la direction que peut prendre ce courant.

►Principe de fonctionnement

Les photopiles sont constituées de matériaux semi-conducteurs (généralement silicium) qui transforment directement la lumière du rayonnement solaire en énergie électrique. Les particules de lumière (photons) viennent heurter les électrons sur le silicium et lui communiquent leur énergie. Le silicium est traité (dopé) de manière à jouer le rôle de clapet anti-retour (diode) d'électricité et ainsi à diriger tous les électrons dans le même sens. Une tension apparaît donc en présence de lumière aux bornes de la photopile. Si l'on ferme le circuit à l'aide d'une lampe, d'un moteur, etc., le courant peut circuler. La tension est peu variable alors que le courant est quasi proportionnel à la lumière reçue.

 La puissance photovoltaique,les watts 

►Le processus de fabrication des cellules au silicium cristallin ou cellules PV :

Tout d'abord, il faut obtenir la matière première.

Le silicium existe sous forme mono ou poly cristalline. On fabrique le silicium monocristallin à partir de colonnes pures de silicium, tandis que le silicium polycristallin est crée à partir de la fonte de copeaux de silicium monocristallin. Ces copeaux s’obtiennent par équarrissage ou opération de taille des lingots cylindriques monocristallins. Au final, cette matière première doit avoir la forme de briques.

Du silicium a l'état brut est fondu pour créer un barreau. Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé, on obtient un mono-cristal, de forme ronde pour permettre un refroidissement uniforme.

l'équarissage   l' équarissage de la colonne monocristallin Colonne polycristallin

Le wafer Le "wafer" est scié dans un barreau de silicium dont le refroidissement forcé a créé une structure poly-cristalline.

La cellule Un "wafer" (tranche de silicium) est alors découpé dans le barreau de silicium. Après divers traitements (traitement de surface à l'acide, dopage et création de la jonction p-n, dépôt de couche anti-reflet, pose des collecteurs) le "wafer" devient cellule.

En résumé

Video Fabrication d'une Cellule Photovoltaïque

Le photovoltaique polycristallin, monocristallin, amorphe, puissance mpp 

►Silicium polycristallin Ces cellules, grâce à leur potentiel de gain de productivité, se sont aujourd'hui imposées : elles représentent 49 % de l'ensemble de la production mondiale en 2000. L'avantage de ces cellules par rapport au silicium monocristallin est qu'elles produisent peu de déchets de coupe et qu'elles nécessitent 2 à 3 fois moins d'énergie pour leur fabrication. Taille 155.5 mm Rendement 11 à 15 %. 8 à 9 m² de surface de captage pour l'obtention de 1kw crête.
►Silicium monocristallin Son procédé de fabrication est long et exigeant en énergie; plus onéreux, il est cependant plus efficace que le silicium polycristallin. Rendement 13 à 17%. 7 à 9 m² de surface de captage pour l'obtention de 1kw crête.
►Silicium amorphe Les coûts de fabrication sont sensiblement meilleur marché que ceux du silicium cristallin. Les cellules amorphes sont utilisées partout où une alternative économique est recherchée, ou, quand très peu d'électricité est nécessaire (par exemple, alimentation des montres, calculatrices, luminaires de secours). Elles sont également souvent utilisées là où un fort échauffement des modules est à prévoir. Cependant, le rendement est de plus de 2 fois inférieur à celui du silicium cristallin et nécessite donc plus de surface pour la même puissance installée. Les cellules en silicium amorphe sont actuellement de moins en moins utilisées : 9,5 % de la production mondiale en 2000, alors qu'elles représentaient 12 % en 1999. Rendement 5 à 9%. 16 à 20 m² de surface de captage pour l'obtention de 1kw crête.

La couche mince: La technologie « couche mince » désigne un type de cellule (ou module) obtenu par diffusion d’une couche mince de silicium amorphe sur un substrat (verre). Plusieurs technologies (fonction de l’alliage utilisé) sont industrialisées a ce jour.

Pour ces trois matériaux photovoltaïques, les coûts par unité puissance sont identiques mais les surfaces de capteur nécessaires pour atteindre cette unité de surface varient en fonction du rendement. Les matériaux en silicium cristallin (poly et mono) représentent 90% du marché mondial.

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►Puissance maximum MPP/tension de sortie  L'effet photovoltaïque et qui crée une différence de potentiel entre les deux couches. On peut dès lors utiliser cette différence de potentiel, sous forme de courant continu, en reliant un appareil aux bornes positive et négative de la cellule. La tension maximale par cellule est de l'ordre de 0.6 volt, à courant nul; de ce fait on la nomme tension à vide. Le courant maximal se produit lorsque l'on court-circuite les bornes de la cellule, ce que l'on peut faire sans risque dans le cas d'une cellule photovoltaïque. Entre ces deux extrêmes on trouve un optimum donnant la plus grande puissance, ou Pmax, que l'on nomme couramment MPP (maximum power point). Dans le graphique ci-dessus, qui donne la courbe caractéristique d'une cellule solaire, Pmax correspond à la surface du plus grand rectangle qu'on peut dessiner sous la courbe. Le rendement d'une cellule solaire dépend aussi de sa température: ce rendement baisse avec une élévation de la température. Il est donc important de veiller à ce que les cellules puissent se refroidir, par le moyen de l'air ambiant ou même par de l'eau: certaines expériences sont en cours qui combinent cellules et capteurs thermiques: les cellules sont refroidies à l'aide d'un caloporteur qui servira à préparer de l'eau chaude.

►Effet de l’éclairement sur le panneau solaire. Une baisse de l’ensoleillement provoque une diminution de la création de paires électron-trou avec un courant à l’obscurité inchangé. Le courant du panneau solaire étant égal à la soustraction du photocourant et du courant de diode à l’obscurité, il y’a une baisse du courant solaire Icc proportionnelle à la variation de l’ensoleillement accompagnée d’ une très légère diminution de la tension Vco et donc un décalage du point Pmax du panneau solaire vers les puissances inférieures. Augmentation proportionnelle de la puissance avec l'ensoleillement.

►Effet de la température sur le panneau photovoltaïque. Une élévation de la température (de jonction) des cellules solaires provoque un important accroissement de leur courant à l’obscurité et facilite une légère augmentation de la création de paires électron-trou. Le courant du panneau solaire étant égal à la soustraction du photocourant et du courant de diode à l’obscurité, il y’a une légère augmentation du courant Icc accompagnée d’une forte diminution de la tension Vco et donc un décalage du point Pmax vers les puissances inférieures.   0.4% de perte par °c

►Le module photovoltaïque

Une cellule polycristallin, intensité à puissance maximum 7.33A, tension à puissance maximum 0.48V. Les cellules sont connectées entre elles par de fins ruban métalliques (cuivre étamés), du contact face avant - au contact face arrière +. La mise en série des cellules permet d'augmenter la puissance. Exemple module photovoltaïque composé de 48 modules on obtient intensité à puissance maximum Mpp7.33A, et tension à puissance 23.2V. Module sharp 170w         Pour obtenir plus de tension, on assemble les cellules en série (pour obtenir une tension nominale de 12-14 V) et on les encapsule entre deux couches de  film thermoplastiques transparents. Un cadre en aluminium permet la fixation. Joint d'étanchéité Film thermoplastiques (EVA éthylène / acétate / vinyle) Un verre trempé en face avant protège les cellules pour les protéger des agressions extérieures. La face arrière est constituée d'un verre ou d'une feuille en tévelard.   Les caractéristiques essentielles d’un module photovoltaïque sont : - Pc : Puissance crête en Watt crête Wc (Watt Peak - Wp - en anglais) - U co : Tension continue à vide en Volt - U à Pmax. :Tension au point de puissance maximale. - I cc : Courant de court-circuit en Ampères - I à Pmax : Courant au point de puissance maximale. - Les coefficients de pertes de tension, de courant et de puissance, en fonction de la température - Les dimensions - Le poids REMARQUE : les valeurs crêtes correspondent à des grandeurs (puissance, courant, tension) délivrée par le module dans des conditions optimales d’utilisation, normalisées comme suit : - Ensoleillement : 1 kW/m² - Température des cellules : 25°c - Masse de l’air : 1,5 kg/m3

Branchement cellules polycristallin et diode bypass  Haut de la page

Cellules polycristallin branchées en série (intensité idem mais la tension s'additionne). Diodes bypass permettant le shunt d'une partie du panneau. En effet une ombre par exemple une feuille rend la cellule resistante. Sans diodes bypass tout le champ solaire s'arrète.

La diode bypass. le phénomène hotspot.

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►Le rendement énergétique Le silicium cristallin (qu'il soit mono ou poly) est une technologie éprouvée et robuste (espérance de vie : 30 ans), dont le rendement est de l'ordre de 13 %. Ces cellules sont adaptées à des puissances de quelques centaines de watts à quelques dizaines de kilowatts. Elles représentent près de 80 % de la production mondiale en 2000. Un module (durée de vie de 30 ans) compense en moins de 3 ans l'énergie dépensée pour sa fabrication. En général le fabricant garantie le module 20 ans à 90% de la puissance. En fin de vie, les matériaux de base (cadre d’aluminium, verre, silicium, supports et composants électroniques) peuvent tous être réutilisés ou recyclés de différentes manières sans inconvénient.  La croissance constante du marché mondial encourage l'industrie photovoltaïque à améliorer les performances des modules. La plus ancienne centrale solaire allemande de 600 kW, sur l'Île de Pellworm dans la mer du Nord a dépassé la durée de vie prévue de 20 ans, et sera réhabilité. L'entreprise Solar World AG propose de recycler les modules PV fabriqués par AEG-Telefunken en 1983. Les panneaux seront d'abord fondus afin de séparés les composants. Ensuite, les cellules en silicium seront soumises à un procédé de purification qui va permettre leur réutilisation dans des nouveaux modules PV.

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Production et usine de fabrication de silicium. Cette transformation s'effectue sans bruit, sans émission de gaz : elle est donc par nature totalement propre. Par ailleurs, l'absence de mise en mouvement de pièces mécaniques lui confère un niveau de fiabilité inégalable (la durée de vie moyenne d'un panneau solaire est estimée à plus de 30 ans.) L'énergie produite par des panneaux solaires photovoltaïques, source d'énergie propre et renouvelable, s'inscrit parfaitement dans le cadre de la politique écologique actuelle des gouvernements des pays industrialisés formalisée par les accords de Kyoto. Cette politique écologique, définie dans le "Livre Blanc", se traduit par un engagement des pays de l'Union à produire, en 2010, 12% de leur énergie à partir de sources renouvelables et de réduire de fait le taux d'émission de gaz à effet de serre. Ainsi, la production d'électricité photovoltaïque mondiale connaît une forte progression. Forts de cette progression, les fabricants de panneaux solaires photovoltaïques investissent beaucoup en recherche et développement sur l'amélioration des technologies actuelles et l'avènement de nouvelles alternatives. BP Solar est le 3ème fabricant de panneaux solaires au monde. Cette activité de recherche en amont sur les technologies des différentes sortes de panneaux solaires, jumelée à l'augmentation des quantités de production se traduit par une diminution du coût au Watt crête et l'apparition de nouveaux panneaux solaires plus performants.La production électrique en alsace.