mémoire de PFE S6

Universit IBN TOFAIL

facult des sciences

IntroductionFace une demande croissante dnergie et lpuisement plus ou moins long terme des nergies fossiles, diffrentes solutions de substitution ont t envisages. Suite aux crises ptrolires, certains pays ont men une politique oriente vers le nuclaire alors que dautres ont massivement utilis les nergies renouvelables avec ladoption de photovoltaque. Les gisements des ressources nergtiques traditionnelles, dorigines principalement fossiles, ne peuvent tre exploits que pour quelques dcennies, ce qui laisse prsager dune situation de pnurie nergtique au niveau mondial de faon imminente. Dautre part, les dchets des centrales nuclaires posent dautres problmes en termes de pollution des dchets radioactifs, du dmantlement prochain des vieilles centrales et du risque industriel. Pour subvenir aux besoins en nergie de la socit actuelle, il est ncessaire de trouver des solutions adaptes et de les diversifier. Actuellement, il y a principalement deux faons possibles dagir. La premire est de diminuer la consommation des rcepteurs dnergie et augmenter la productivit des centrales nergtiques en amliorant respectivement leur efficacit. Une deuxime mthode consiste trouver et dvelopper de nouvelles sources dnergie. Des recherches sont en cours dans le domaine de la fusion des noyaux atomiques qui, ventuellement, pourraient tre une solution nergtique du futur, mais lavenir de cette filire et encore moins son avnement ne sont assurs. Les types de modles utiliss dans le domaine des nergies nombreux, parmi les nergies renouvelables, on comte le vent, les flux marins et ocaniques, la gothermique, le solaire PV, etc.. Ce dernier est une source dnergie trs puissante. En effet, la puissance du rayonnement solaire au niveau du sol est denviron 950Watt/m2. La quantit totale dnergie solaire reue au niveau du sol pendant une semaine dpasse lnergie produite par les mondiales de lnergie de ptrole, de carbone, de gaz naturel et duranium. Mais dans la plupart des cas, une conversion de lnergie du rayonnement solaire ncessaire. Les cellules photovoltaque sont les constituons des panneaux solaires. Llectricit photovoltaque est obtenue par la transmission directe de la lumire du soleil. Par ce biais, la production a connu une croissance importante depuis les annes 1990-95, allant jusqu' dpasser les 700MWc en 2003. Les projections les plus courants prvoient un march annuel est de lordre de 3 GC pour lanne 2010 et entre 9 et 21 GC pour 2020. Pour faire face a cette croissance, nous jugeons ncessaire de rendre optimal le rendement des cellules photovoltaque en concevant un systme qui permet de lutter contre les effets nfastes des intempries. En effet, ces derniers contribuent une attnuation consquente de lchange thermique, donc une rduction defficacit en termes rendement.

1


facult des sciences

Chapitre I : Gnralit sur lnergie renouvelableLes sources renouvelables dnergie, permettant une production dcentralise de llectricit, peuvent contribuer rsoudre le problme de llectrification des sites isols o un grand nombre dindividus est dpourvu de tout apport nergtique, ne pouvant ainsi satisfaire aucun besoin mme minime et amliorer ses conditions de vie. Faisant appel des sources dnergie universellement rpandues, ncessitant un minimum de maintenance, la solution photovoltaque reprsente le plus souvent le choix conomique et technologique idal pour les rgions ou installations isoles. Une nergie renouvelable est une source d'nergie qui se renouvelle assez rapidement pour tre considre comme inpuisable l'chelle de l'homme. Les nergies renouvelables sont issues de phnomnes naturels rguliers ou constants provoqus par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (mare) et la Terre (nergie gothermique). Soulignons que le caractre renouvelable d'une nergie dpend non seulement de la vitesse laquelle la source se rgnre, mais aussi de la vitesse laquelle elle est consomme. Les principales sources dnergies renouvelables Gothermie Biomasse Biomasse Hydraulique Eolienne photovoltaque Dans ce modeste travail on va mettre le point sur lnergie photovoltaque.

I.1 Production photovoltaqueLnergie solaire photovoltaque provient de la conversion de la lumire du soleil en lectricit au sein de matriaux semi-conducteurs. Ces matriaux photosensibles ont la proprit de librer leurs lectrons sous linfluence dune nergie extrieure. Cest leffet photovoltaque. Lnergie est apporte par les photons, (composants de la lumire) qui heurtent et librent les lectrons, induisant ainsi un courant lectrique. Ce courant continu de micro puissance calcul en watt crte (Wc) peut tre transform en courant alternatif grce un onduleur. La cellule photovoltaque est un composant lectronique qui est la base des installations produisant cette nergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photolectrique. Cette cellule produit du courant continu partir du rayonnement solaire. Elle est relie dautres cellules sur un module solaire photovoltaque (lensemble des modules sont regroups pour former une installation solaire). Cette installation produit de l'lectricit qui peut tre consomme sur place ou alimenter un rseau de distribution.

2


facult des sciences

Figure : Puissance PV cumule dans le monde en MW

I.2 Historique :L'effet photovoltaque a t dcouvert pour la premire fois en 1839 par Edmund Becquerel, un physicien franais. Edmund a constat que certains matriaux pouvaient produire de petites quantits d'lectricit quand ils taient exposs la lumire. Albert Einstein se pencha sur ce travail. En 1905, il publie un papier sur le potentiel de production d'lectricit partir de la lumire du soleil. Ce document explore l'effet photovoltaque, Technologie sur laquelle est fond le panneau solaire. En 1913, William Coblentz a pos le premier brevet pour une cellule solaire, mais il ne pourra jamais la faire fonctionner. En1916, Robert Millikan a t le premier produire de l'lectricit avec une cellule solaire. Pendant les quarante annes suivantes, personne ne fit beaucoup de progrs en nergie solaire car les cellules photovoltaques avaient un trop mauvais rendement pour transformer la lumire du Soleil en nergie. Le premier panneau solaire a t construit en 1954 par les laboratoires Bell. Il a t appel batterie solaire mais c'tait juste un effet d'annonce car il tait trop coteux produire. Ce sont les satellites qui ont rellement fait avancer l'nergie solaire dans les annes 1960 lors la course l'espace. Les satellites ont besoin d'une source d'nergie fiable. L'nergie solaire est parfaite car c'est une source d'nergie constante pour les satellites en orbite. L'industrie spatiale mis beaucoup de fonds dans le dveloppement des panneaux solaires. C'tait la premire utilisation importante de la technologie solaire. Grce l'espace, les panneaux solaires ont prouv leur fiabilit. Le cot de production des cellules solaires a galement diminu. L'nergie solaire a eu un second lan au cours de la crise de l'nergie dans les annes 1970. Quand le prix du ptrole a augment de faon spectaculaire, les panneaux solaires photovoltaques ont commenc tre utiliss pour la premire fois dans les maisons. Depuis les panneaux solaires se sont dvelopps lentement. Pendant longtemps, ils ont t considrs comme des sources d'nergies alternatives.

3


facult des sciences

Chapitre II : Principes de fonctionnements du systme photovoltaqueII.1 la cellule photovoltaqueLa cellule photovoltaque est compose d'un matriau semi-conducteur qui absorbe l'nergie lumineuse et la transforme directement en courant lectrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux proprits du rayonnement et celles des semi-conducteurs.

II.2 Le semi-conducteurUn semi-conducteur est un matriau dont la concentration en charges libres est trs faible par rapport aux mtaux. Pour qu'un lectron li son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et participe la conduction du courant, il faut lui fournir une nergie minimum pour qu'il puisse atteindre les niveaux nergtiques suprieurs (bande de conduction). C'est l'nergie du "band gap", Eg, en lectron-volt (eV). Cette valeur seuil est propre chaque matriau semi-conducteur et va de 1,0 1,8 eV pour les applications photovoltaques. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si), et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si).

II.3 Principe de fonctionnement dune cellule PV

Leffet photovoltaque utilis dans les cellules solaires permet de convertir directement lnergie lumineuse des rayons solaires en lectricit par le biais de la production et du transport dans un matriau semi-conducteur de charges lectriques positives et ngatives sous leffet de la lumire. Ce matriau comporte deux parties, lune prsentant un excs dlectrons et lautre un dficit en lectrons, dites respectivement dope de type n et dope de type p. Lorsque la premire est mise en contact avec la seconde, les lectrons en excs dans le matriau n diffusent dans le matriau p. La zone initialement dope n devient charge positivement, et la zone initialement dope p charge ngativement. Il se cre donc entre elles un champ lectrique qui tend repousser les lectrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a t forme. En ajoutant des contacts mtalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est claire, les photons dnergie gale ou suprieure la largeur de la bande interdite communiquent leur nergie aux atomes, chacun4


facult des sciences

fait passer un lectron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire lectron-trou. Si une charge est place aux bornes de la cellule, les lectrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extrieure, donnant naissance une diffrence de potentiel: le courant lectrique circule (figure). Leffet repose donc la base sur les proprits semi-conductrices du matriau et son dopage afin den amliorer la conductivit. Le silicium employ aujourdhui dans la plupart des cellules a t choisi pour la prsence de quatre lectrons de valence sur sa couche priphrique (colonne IV du tableau de Mendeleev). Dans le silicium solide, chaque atome dit ttravalent est li quatre voisins, et tous les lectrons de la couche priphrique participent aux liaisons. Si un atome de silicium est remplac par un atome de la colonne V (phosphore par exemple), un de ses cinq lectrons de valence ne participe pas aux liaisons; par agitation thermique, il va trs vite passer dans a bande de conduction et ainsi devenir libre de se dplacer dans le cristal, laissant derrire lui un trou fixe li latome de dopant. Il y a conduction par un lectron, et le semi-conducteur dit dop de type n. Si au contraire un atome de silicium est remplac par un atome de la colonne III (bore par exemple) trois lectrons de valence, il en manque un pour raliser toutes les liaisons, et un lectron peut rapidement venir combler ce manque et occuper lorbitale vacante par agitation thermique. Il en rsulte un trou dans la bande de valence, qui va contribuer la conduction, et le semi-conducteur est dit dop de type p. Les atomes tels que le bore ou le phosphore sont donc des dopants du silicium. Les cellules photovoltaques sont assembles pour former des modules.

Chapitre III : Technologie photovoltaqueIII.1 Cellules photovoltaquesCe sont les cellules base de silicium qui sont actuellement les plus utilises, les autres types tant encore soit en phase de recherche et dveloppement, soit trop chres et rserves des usages ou leur prix nest pas un obstacle. On distingue en outre, en fonction des technologies utilises :

Cellule monocristallin :Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant quun seul cristal de grande dimension. On dcoupe ensuite le cristal en tranches qui donneront les calcules. Ces cellules sont en gnral dun bleu uniforme.

Avantages :Il possde un trs bon rendement, de 150WC/m2 ou plus(en 2007), et dure de vie importante (+/- 30 ans).

Inconvnients :

5


facult des sciences

Cot lev et il a un rendement faible sous un faible clairement. Cellule polycristallinPendant le refroidissement du silicium dans une lingotire, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaque est drespect bleut, mais pas uniforme, on distingue des motifs crs par les diffrents cristaux.

AvantagesLa cellule de forme carr ( coins arrondis dans le cas du silicium monocristallin) permet un meilleurfoisonnement dans un module. On note aussi son bon rendement de conversion, environ 100WC/m2, mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin, le lingot est moins cher produire que le monocristallin, et meilleur march que monocristallin.

InconvnientOn rendement faible Sous un faible clairement.Ce sont les cellules les plus utilises pour la fabrication lectrique (meilleur rapport qualit-prix).

Cellule sans silicium en couche mince cis

Cellule photovoltaque de type : cuivre - indium slnium: CulnSe2 (CIS) Elles reprsentent la deuxime gnration de cellules solaires sous forme de films minces. Les matires premires ncessaires la fabrication des cellules CIS sont plus faciles se procurer que le silicium. De plus, leur efficacit de conversion nergtique est la plus leve ce jour pour des cellules photovoltaques en couche mince.

AvantagesPermet dobtenir les meilleurs rendements par rapport aux autres cellules photovoltaques en couche mince, et de Saffranchir du silicium. Les matriaux utiliss ne causent pas de problme de toxicit !!!, la cellule peut tre construite sur un substrat flexible.

6


facult des sciences

InconvnientsEs cellules en couche mince ncessitent une surface plus importante pour atteindre les mmes rendements que les cellules paisses.

Cellule silicium amorphe en couche minceLe silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projet sur une feuille de verre. La cellule est gris trs fonc ou marron. Cest la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

AvantagesFonctionnent avec un clairement faible, et bon march par rapport aux autres types de cellules moins sensible aux tempratures leves.

InconvnientsRendement faible ( 60 WC/m), les cellules en couche mince ncessite une surface plus importante pour atteindre les mmes rendements que les cellules paisses. La dure de vie courte (+/- 10 ans), diminuent sensiblement avec le temps. Rendement module commercial : 5 9%. Rendement record en laboratoire : environ 13,4%.

Cellules photovoltaques organiquesLe semi-conducteur utilis est un polymre comme par exemple le polyactylne. Des recherches sont en cours afin que toutes les couches de la cellule soit de nature polymre. Objectif : manipuler un seul type de matriau et donc une mme technologie tout au long du processus de fabrication.

AvantagesUne forte absorption optique, des substrats varis ainsi que des techniques de dpose assez simple.

InconvnientEst que la longvit de ces cellules nest toujours pas matrise.

7


facult des sciences

Chapitre IV : Processus de fabricationIV.1 Extraction et purification de siliciumLe silicium est actuellement le matriau le plus utilis pour fabriquer les cellules photovoltaques disponibles un niveau industriel. Le silicium (Si) n'existe pas l'tat pur dans la nature. Il est fabriqu partir de sable quartzeux dioxyde de silicium SiO2 grce la raction chimique simplifie : SiO2 + 2 C Si + CO Cette raction se ralise dans un four arc car elle ncessite de faire fondre la silice. La temprature du four peut atteindre 3 000 C. Aprs cette opration, le silicium est obtenu sous forme liquide. Sa puret est de 98 %. Il faut le purifier encore !!! Ce silicium est ensuite purifi chimiquement et aboutit au silicium de qualit lectronique qui se prsente sous forme liquide, puis coul sous forme de lingot suivant le processus pour la cristallisation du silicium, et dcoup sous forme de fines plaquettes . Au final, le procd de purification aboutit l'obtention de lingots de silicium purifis 99.99 % : Il existe deux grandes mthodes de cristallisation : La premire permet d'obtenir du silicium polycristallin (compos de plusieurs cristaux). Et la deuxime permet d'obtenir du silicium monocristallin (compos d'un seul cristal).

Le silicium polycristallinLe silicium polycristallin est obtenu par coulage en lingotire dans laquelle s'opre un refroidissement lent, de l'ordre de quelques dizaines d'heures. On obtient au final des lingots cubique. Cette forme est recherche afin d'optimiser l'espace lorsque les plaquettes (obtenues par dcoupage en lamelles des lingots de silicium) seront places en srie sur un module photovoltaque.

Le silicium polycristallin prsente une couleur grise. Il est constitu d'une mosaque de cristaux monocristallins de silicium, d'orientation et de tailles diffrentes.

8


facult des sciences

Le silicium monocristallinUne des mthodes pour fabriquer du silicium monocristallin est la mthode dite de Czochralki. Le silicium est plac dans un creuset de quartz et maintenu liquide l'aide d'lments chauffants. Lorsque la surface est la temprature limite de solidification, on y plonge un germe monocristallin. Le silicium se solidifie sur ce germe selon la mme orientation cristallographique. On tire lentement le germe vers le haut, avec un mouvement de rotation, tout en contrlant minutieusement la temprature et la vitesse. Le silicium monocristallin ainsi obtenu, sous forme de lingots circulaires, est constitu d'un seul type de cristal et prsente une couleur uniforme grise. Le silicium monocristallin, plus labor que le silicium polycristallin, prsente un rendement (conversion de l'nergie lumineuse en nergie lectrique) suprieur. Sa production demande cependant une plus grande dpense nergtique. L'queutage consiste liminer les extrmits du lingot soit mal cristallises soit riches en impurets. Les extrmits sont ensuite refondues pour le dpart d'un nouveau cycle de production. Lors du tirage, le diamtre du lingot varie lgrement ce qui constitue des ondulations sa surface. Pour obtenir des plaquettes de mme diamtre un polissage cylindrique est ncessaire.

Obtention des wafers photovoltaquesLes lingots cylindriques (silicium monocristallin) ou paralllpipdiques (silicium polycristallin) de silicium obtenus l'issue de l'tape de solidification sont ensuite scis en fines plaques de 200 micromtres d'paisseur qui sont appeles wafers (en anglais, "wafer" signifie "galette"). La coupe des lingots est effectue par une scie fil : Le principal problme du sciage est la perte de dcoupe. Avec une scie fil, il faut 570 m de silicium pour produire une tranche de 350 m. L'tape du sciage reprsente un lment dterminant dans le cot de la production des cellules photovoltaques.

IV.2 Dopage du siliciumLe dopage est une mthode permettant de raliser la jonction P-N. Cela consiste introduire des impurets dans un cristal intrinsque pour modifier ces proprits lectriques. Le semiconducteur dop est alors appel "semi-conducteur extrinsque".

9


facult des sciences

Dopage de type NDopage de type N Le dopage de type N consiste ajouter un atome de phosphore au sein 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 :

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

Il y a 3 mthodes de dopages : LA DIFFUSION : On utilise un four, dans lequel on injecte des gaz avec une solution dopante pour le silicium. 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. LE CROISSANCE EPITAXIALE : 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 dpt en surface, et non pas une insertion comme pour la mthode de dopage par diffusion. La temprature du four doit avoisiner les 1 200 C. LE BOMBARDEMENT IONIQUE : Une source (appel faisceau ionique nergtique) produit des ions, 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 des dommages 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. La suite du procd est d'associer un wafer dop N avec un wafer type P :

10


facult des sciences

IV.3 Fabrication des modules PVUn module photovoltaque consiste regrouper des cellules photovoltaques en srie ou en parallle afin de permettre leur utilisation des tensions et courants pratiques tout en assurant leur isolation lectrique et leur protection contre les facteurs extrieurs tels que l'humidit, la pluie, la neige, la poussire, la corrosion ou les chocs mcaniques. Le procd de fabrication s'appelle aussi l'encapsulation. Un module photovoltaque est, par dfinition, le plus petit ensemble de cellules solaires photovoltaques interconnectes compltement protg contre l'environnement :

Dans la fabrication d'un module photovoltaque: Lencapsulation a pour but de regrouper les cellules en srie ou en parallle afin de permettre leur utilisation des tensions et des courants pratiques tout en assurant leur isolation lectrique et leur protection contre les facteurs extrieurs. Cette protection doit permettre une dure de vie des modules photovoltaques suprieure 20 ans. En pratique, l'encapsulation consiste la mise en sandwich de l'ensemble constitu par les cellules et le matriau encapsulant (EVA) entre deux plaques de verre (procd bi-verre) ou entre une plaque de verre et un ensemble constitu de couches minces de polymre (Tedlar, Myla) et d'aluminium (procd mono-verre). Le verre: Il s'agit d'un verre tremp de 4 mm d'paisseur. On qualifie ce verre de "verre solaire". Cela signifie que le verre a une faible teneur en fer. Ceci permet une meilleure transmission optique. En gnrale, la transmission optique du verre d'un module photovoltaque est de l'ordre de 95 % dans la gamme utile du spectre solaire (380 nm 1 200 nm). La face extrieure du verre, trait l'acide fluosilicique (H2SiF6), est recouverte de nano pores qui pigent la lumire incidente et rduisent la rflexion en surface une valeur infrieure 8 % dans la gamme 380 nm 1 200 nm. En face intrieure, le verre est micro-structur, augmentant ainsi le rendement par clairage diffus. Copolymre d'thylne et de vinyle d'actate. L'EVA: est une rsine transparente enrobant le copolymre d'thylne et de vinyle d'actate. Cellules photovoltaques. Chimiquement, l'EVA est forme de chanes de copolymre d'thylne et de vinyle d'actate. L'EVA est utilise car ce produit prsente de grande proprits adhsive, dilectrique, thermique et d'tanchit (il dispose d'un trs faible taux d'absorption d'eau). Bien entendu, l'EVA prsente aussi une excellente transmission optique (suprieure 90% selon le type d'EVA) dans la gamme utile du spectre solaire (380 nm 1 200 nm).11


facult des sciences

Le mylar utilis pour isoler lectriquement les connexions de sortie de la face arrire des cellules, est un film polymre transparent. Chimiquement, il s'agit un compos de polythylne de trphtalaque, de constante dilectrique trs leve lui permettant d'tre un trs bon isolant lectrique. Le TEDLAR est un polymre fluor. Le rle majeur du TEDLAR, dans un module photovoltaque, est la protection de surface. En effet, le TEDLAR rsistent particulirement bien aux agressions extrieures (UV, variations de temprature, atmosphres corrosives, ...), labrasion ainsi quaux produits chimiques. Cadre en aluminium: se justifie par la haute rsistance de celui-ci l'humidit ainsi qu'aux chocs mcaniques. IL peut tre anodis. L'anodisation est un traitement de surface qui permet de protger ou de dcorer une pice en aluminium par oxydation anodique (couche lectriquement isolante de 5 50 micromtres). Elle octroie aux matriaux une meilleure rsistance l'usure, la corrosion et la chaleur.

Slection et assemblage des cellules photovoltaquesToutes les cellules composant un module photovoltaques doivent tre identiques. Ainsi, les cellules arrivant dans une usine de production de modules photovoltaques sont slectionnes individuellement. Elles sont apparies en fonction de leurs proprits lectriques. Puis, les cellules photovoltaques sont soudes deux deux, les liaisons lectriques entre les cellules : Les cellules sont connectes entre elles par de fins rubans mtalliques. La connexion se fait du contact en face avant (-) au contact en face arrire (+). Les rubans adhrent par soudure la cellule photovoltaque grce une lamelle de cuivre tam (cuivre + tain).

Etapes de lamination des modules photovoltaquesLe processus de lamination consiste chauffer les modules et en mme temps les plaquer pour quils deviennent trs fins et sous vide. Le laminateur dispose d'une chambre suprieure et d'une chambre infrieure. La temprature et la pression de chacune de ces chambres sont contrles grce une pompe vide et des rsistances chauffantes. Le module photovoltaque, qui joue le rle de lamint, se prsente dans le laminateur entre les deux chambres. Le cycle de lamination dbute par l'introduction de l'ensemble constitu de cellules et des matriaux encapsulant (verre, EVA, cellules, mylar, tedlar, aluminium), dans la chambre infrieure du laminateur o la temprature est maintenue constante 100 C. La chambre suprieure, dont la paroi du bas12


facult des sciences

constitue le diaphragme, est ce moment sous une pression de 0.1 mmHG, soit quasiment sous vide. La lamination se fait en deux temps. Dans une premire phase, on procde au pompage de l'air se trouvant l'intrieur de la chambre infrieure contenant le lamint, et ce durant 5 minutes. Le niveau du vide atteint est alors de 0.1 mmHg, il sera maintenu durant les oprations de lumination et de polymrisation. Dans une deuxime phase, alors que la chambre suprieure maintenue sous vide 0.1 mmHg durant ces 5 premires minutes, elle sera mise sous pression atmosphrique en 1 minute de temps. Cette tape est dsigne sous le vocable "Presse time". A ce stade, l'action conjugue de la pression exerce par le diaphragme et l'effet de l'aspiration conduit chasser l'air rsiduel se trouvant dans le lamint. Ceci marque la fin du cycle de lamination.

Etape de polymrisation des modules photovoltaquesLa polymrisation s'effectue 156 C pendant 15 minutes. Il s'agit d'une raction de polymrisation de l'EVA. A l'issue de cette raction chimique, tous les matriaux encapsulants se lient fortement et ce d'une manire irrversible, conduisant l'obtention d'un ensemble compact. Aprs refroidissement, 100 C, la chambre infrieure est mise sous pression atmosphrique alors que celle du haut revient 0.1 mmHg. La procdure de lamination et de polymrisation est rsume sur la figure suivante.

13


facult des sciences

Chapitre V : Caractristiques des modules photovoltaquesV.1 Courbe caractristique de cellule photovoltaqueSchma quivalent de cellule photovoltaque

Une cellule photovoltaque est dfinie par sa courbe caractristique lectrique (courant tension). Elle indique la variation du courant quelle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule depuis le court-circuit jusquau circuit ouvert.

Courbe lectrique courant-tension spcifique chaque Type de cellule. Daprs les caractristiques courant-tension, il est possible de dduire dautres paramtres lectriques spcifiques chaque matriau : le courant de court circuit (Icc) correspondant au courant dbit par la cellule quand la tension ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est trs proche du photocourant Iph). la tension du circuit (Vco) correspondant la tension qui apparat aux bornes de la cellule quand le courant dbit est nul. Entre ces deux valeurs, il existe un optimum donnant la plus grande puissance Pm ou puissance crte caractrisant la performance de la cellule. Le facteur de forme FF indique le degr didalit de la caractristique correspondant au rapport suivant : ???????????? FF= ??????????????????.??????????????????14


facult des sciences

FF : facteur de forme qui indique le degr didalit de la caractristique ; Pm: puissance maximale mesure dans les conditions de rfrence (STC : Standard Test Condition), cest--dire sous lensoleillement de 1 000 W/m 2 , la temprature de 25 C sous un spectre AM 1,5 (10) . Vco : tension du circuit correspondant la tension qui apparat aux bornes de la cellule quand le courant dbit est nul (V). Icc: courant de court circuit correspondant au courant dbit par la cellule quand la tension ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est trs proche du photocourant Iph) (A) ; Cette courbe est tablie dans des conditions de fonctionnement donnes (ensoleillement, temprature la surface de la cellule, etc.) et varie selon le type de cellule. Par exemple, une cellule en silicium amorphe a une tension plus leve quune cellule en silicium cristallin. mais son courant est nettement plus faible, en raison de sa moins bonne collecte et de sa faible paisseur.

V.2 Rendement photovoltaqueV.2.1 Cellule photovoltaqueLe rendement nergtique ( ) dune cellule est dfini par le rapport entre la puissance maximale (Pm) et la puissance du rayonnement solaire (puissance incidente Pi ) qui arrive sur la cellule photovoltaque :

=

???????????? ????????????

=

???????????? ??????.??????

=

????????????.???????????? ????????????

=

????????????.??????????????????.?????????????????? ????????????

Avec : : rendement nergtique ; E : clairement (W/m 2) ; S : surface active de la cellule (m 2) ; Pm: puissance maximale mesure dans les conditions de rfrence (STC : Standard Test Condition), cest--dire sous lensoleillement de 1 000 W/m 2 , la temprature de 25 C sous un spectre AM 1,5 . Lnergie lectrique disponible aux bornes dune cellule photovoltaque dpend des caractristiques du type de rayonnement : rpartition spectrale (rponse spectrale), quantit dnergie, temprature, surface, surface de la cellule et de ses caractristiques dimensionnelles, forme de la cellule et conditions ambiantes de fonctionnement de la cellule (temprature extrieure, vitesse du vent, etc.). Le rendement dune cellule photovoltaque est gnralement assez faible (10 20 %). De meilleurs rendements peuvent tre obtenus laide de nouveaux matriaux (arsniure de gallium donne des rendements suprieurs 25% en laboratoire) ou de techniques exprimentales (technologies multicouches) souvent difficiles et coteuses mettre en uvre. Cependant, le matriau photovoltaque le plus utilis est le silicium qui reprsente une solution conomique : son rendement nergtique ne dpasse pas les 15 %. Le tableau 1 indique le coefficient de performance des trois types de cellules les plus utilises. Ces faibles rendements sont dus : aux pertes (rflexion, pertes Joules, etc.) ; et au fait que la sensibilit de la cellule ne couvre pas la totalit du spectre du rayonnement solaire. Lun des moyens damliorer le rendement consiste optimiser le couplage entre la lumire incidente et les matriaux photovoltaques constituant la cellule. Il existe deux voies Possibles :

15


facult des sciences

la premire consiste minimiser la rflexion linterface air-cellule laide de traitement antireflet (couches minces ou surfaces structures). la seconde repose sur lingnierie du champ lectromagntique : il sagit de contrler la rpartition de lpaisseur de la cellule du champ lectromagntique cr par la lumire afin Doptimiser lnergie dans la zone o a lieu la gnration des excitons (11). Le rendement dune cellule dpend galement de lclairement et de la temprature.

V.2.2 Influence de lclairementLnergie lectrique produite par une cellule dpend de lclairement quelle reoit sur sa surface. La figure suivant reprsente la caractristique courant-tension dune cellule en fonction de lclairement, une temprature et une vitesse de circulation de lair ambiant constantes : Le courant est directement proportionnel au rayonnement, contrairement la tension qui ne varie que trs peu en fonction.

Caractristique courant-tension dune cellule en fonction De lclairement.

Recommandation :Pour augmenter lclairage des cellules, il est conseill de les orienter de sorte que les rayons solaires frappent perpendiculairement la surface de la cellule : il est possible dutiliser des panneaux orientation et inclinaison xes, ou des panneaux inclinaison variable prsentant un rendement bien meilleur.

Remarque :Il arrive quune cellule soit occulte (prsence dune feuille morte, ombre, etc.) : dans ces conditions, elle ne peut dlivrer quun courant limit. Elle fonctionne donc inversement aux autres cellules non occultes du module qui dlivrent un courant suprieur ce courant limit. En fonctionnant ainsi, un chauffement de la cellule (appel hot spot) se produit : il peut provoquer des dgts irrversibles (dtrioration des contacts, de la couche antire et, etc.) visibles lil nu (apparition dune couleur brune au niveau de la cellule). Pour remdier ce phnomne, il suft t de placer une diode by-pass (12) par srie de 18 cellules dans la bote de jonction en sortie du panneau.

16


facult des sciences

V.2.3 Influence de la tempratureLinfluence de la temprature est important et a des consquences pour la conception des panneaux et des systmes photovoltaques. La temprature est un paramtre essentiel puisque les cellules sont exposes aux rayonnements solaires, susceptibles de les chauffer. De plus, une partie du rayonnement absorb nest pas convertie en nergie lectrique : elle se dissipe sous forme de chaleur ; cest pourquoi la temprature de la cellule (Tc) est toujours plus leve que la temprature ambiante (Ta).

Tc= Ta +

????????????

??????????????????

(TUC-20)

avec : Tc : temprature de la cellule (C) Ta: temprature ambiante (C) Em: clairement moyen (W/m2 ) TUC : temprature dutilisation de la cellule (C). Le graphe de la figure 12 montre que la tension dune cellule baisse fortement avec la temprature. Plus la temprature augmente et moins la cellule est performante. En revanche, le courant augmente lgrement en intensit : cette augmentation reste nanmoins ngligeable au point de puissance maximale.

Caractristique courant-tension dune cellule en fonction de la temprature. Le comportement global de la cellule en temprature est une perte de 0,4 0,5 %/ C.

Recommandation :Afin de limiter cette baisse de production, une ventilation adapte des modules par larrire doit tre prvue pour viter laugmentation de la temprature durant les mois les plus ensoleills et souvent les plus chauds. Sur des systmes intgrs, le maintien de la ventilation devient plus dlicat.

V.2.4 Association des cellules photovoltaquesDans les conditions standards (essai STC), la puissance maximale pour une cellule au silicium de 10 cm 2 serait de lordre de 1,25 W. La cellule photovoltaque lmentaire constitue donc un gnrateur lectrique de trs faible puissance, insuffisante pour la plupart des applications domestiques ou industrielles. Les gnrateurs photovoltaques sont en fait raliss par association, en srie et/ou parallle, dun grand nombre de cellules lmentaires : ces groupements sont appels modules. Les connexions en srie de plusieurs cellules augmentent la tension pour un mme courant, tandis que la mise en parallle accrot le courant pour la mme tension. Ainsi, pour atteindre une tension dsire, il suffit de connecter en srie plusieurs cellules de mme courant : cest la notion dappairage. Lappairage est trs dlicat raliser, en raison des caractristiques diffrentes des cellules, du fait de la dispersion invitable des constructions mais aussi dun clairement et dune temprature non uniformes sur lensemble du rseau.17


facult des sciences

Pour un module au silicium cristallin utilis pour une application en 12 V, il faut assembler en srie 36 cellules (en 4 rangs de 9), valeur extrmement courante concernant les panneaux Commercialiss. Les cellules assembles sont ensuite protges sous un condionnement confrant lensemble une bonne rsistance mcanique et une protection efficace aux agressions extrieures. Il sagit de lencapsulation : en face avant : revtement en verre ou en rsine (matriaux pouvant supporter de grandes chaleurs et garantir des coefficients de transmission levs) en face arrire : revtement en verre ou en plastique de type PVF (Tedlar). Lensemble des cellules est noy dans un matriau organique transparent, en gnral de la rsine EVA (thylne de vinyle dactate). Un joint latral en silicone assure ltanchit de lensemble et les deux extrmits du module sont ramenes vers une bote de connexion ncessaire au raccordement vers lutilisation, le tout tant souvent serti dun cadre de fixation. En pratique, un module photovoltaque se caractrise simplement par sa puissance nominale (exprime en watt crte Wc, selon les conditions de fonctionnement standard), qui dpend de sa surface et de lensoleillement incident. La tension dlivre par le module dpend du nombre de cellules connectes en srie.

Chapitre VI : facteurs limitants le rendementEn pratique, la conversion lumineuse en nergie lectrique nest pas totale. Diffrentes pertes viennent influencer le rendement dune cellule. Ces pertes peuvent tre classes en deux catgories : les pertes dues la nature du matriau et les pertes dues la technologie utilise.

VI.1 Pertes engendres par lutilisation du silicium Pertes par les photons de longueur donde suprieur au gap : tous les photons possdant une longueur donde suprieure a celle associe au gap du semi-conducteur ( >g) ne fournit pas assez dnergie pour faire passer un lectron de la bonde de valence la bande de conduction. Son nergie sera perdue. Les mcanismes dabsorption assiste par phonons permettent nanmoins de repousser la limite inferieure de lnergie correspondant au gap du matriau (1.052eV au milieu de 1.124eV dans le cas dune absorption assiste par un phonon dans le silicium. Sous clairement AM1.5, ces pertes sont values 23,5% dans le silicium. Pertes dues lnergie excdentaire des photons : les photons possdant une nergie suprieure au gap gnrent une seule paire lectron-trou. Lexcs dnergie, suprieur la largeur de la bande interdite, est dissip sous forme de chaleur (thermalisation). Sous clairement AM1.5, ces pertes sont values 33% de la puissance totale dans le cas du silicium. Facteur de forme FF : les quations courant-tension sont rgies par les quations de Boltzmann sous la forme exponentielle (expo [qV/kT]). La courbe I(v) ne peut donc avoir une forme rectangulaire et, mme dans le cas dune cellule idal, le facteur de forme ne peut dpasser 0.89. Ce terme dpond galement de la qualit de la jonction p-n, de la rsistance srie et parallle. Chute de tension en ouvert : cette tension est devrait correspondre la tension du gap Eg/q Mais les meilleurs Vcc obtenues sont de lordre de niveau des contacts, la jonction P-N18


facult des sciences

VI.2 Les pertes technologiques Les rflexions : lindice de rfraction du silicium (n=4 650 nm) tant diffrent de lair (n=1.5 650nm), leurs interfaces vont se produire des rflexions qui limiteront le rendement de la cellule. Le coefficient de rflexion R peut tre optimis par la mise en uvre de couche antireflet ainsi que de traitement de surfaces pour des rflexions multiples. Le taux dombrage : sur les cellules standard, les contacts mtallique prsents sur la face avant pour permettre la collection des porteurs, forment une partie opaque qui limite lente des photons dans la cellule .les dimensions des mtallisations sont alors un compromis entre les pertes optique dues couverture partielle de lmetteur et les pertes de facteur de forme provoques par la rsistance srie, lies la taille des mtallisations. Le rendement dabsorption : du fait de lpaisseur limite de la cellule, une partie des photons qui, bien quayant lnergie ncessaire, traversent lpaisseur de la cellule sans tre absorbs. Ce terme devient important quand la cellule est trs fine (

Documents

mémoire de PFE S6