Panneaux Photovoltaïques

Cellules Photovoltaïques

Une cellule solaire, ou cellule photovoltaïque, est un dispositif semi-conducteur qui convertit des photons (la lumière) en électricité. Fondamentalement, le dispositif doit accomplir deux fonctions:

La conversion est appelée "effet photovoltaïque" : il consiste en la génération de force électromotrice. La configuration la plus commune de ce dispositif, la première génération photovoltaïque, consiste en une grande surface, avec une seule jonction P-N, qui en présence de la lumière du soleil est capable de produire de l'énergie électrique utilisable. Ces cellules sont typiquement faites en utilisant du silicium. Cependant, les générations suivantes de cellules photovoltaïques qui permettront l’amélioration de l'efficacité de la photo-conversion sont actuellement développées. La deuxième génération de matériels photovoltaïques est basée sur l’utilisation de plusieurs couches de jonction P-N. Chaque couche est conçue pour absorber une longueur d'ondes successive de lumière (énergie inférieure), permettant d’absorber une plus grande partie du spectre solaire et d’augmenter la quantité d'énergie électrique rassemblée. La troisième génération de photovoltaïques est très différente, il s’agit d’un dispositif de semi-conducteur qui ne repose pas sur une jonction P-N traditionnelle pour séparer les transporteurs de charge qui sont photo généré. Elle inclue les cellules Graetzel (cellules solaires nano-cristallines à colorant), les cellules solaires en plastique et les cellules solaires à points quantiques. L'absorption des photons crée des paires de trous électroniques, qui se diffusent en contacts électriques et peuvent être extraits pour fournir de la puissance aux dispositifs électriques. La génération des cellules solaires a beaucoup d'applications. Elles conviennent particulièrement bien dans des situations où la puissance électrique du réseau est indisponible, tel que les systèmes éloignés du réseau électrique, les satellites orbitaux de la Terre, les calculateurs à main, les radiotéléphones et des applications de pompage d'eau.

Quand un photon…

Quand un photon de lumière frappe une pièce en silicium, deux choses peuvent arriver. Premièrement le photon peut passer directement à travers le silicium (si l'énergie du photon est inférieure à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur en silicium). La deuxième chose qui peut arriver est que le photon soit absorbé par le silicium (si l'énergie de photon est plus grande que l'énergie de la bande interdite de silicium). Quand un photon est absorbé, il donne son énergie à un électron. D'habitude cet électron est dans la bande de valence et il est fermement lié par des liens covalents avec les atomes voisins et il est donc incapable de s’éloigner. L'énergie donnée cela par le photon "ejecte" l’électron vers la bande de conduction, où il est libre de se déplacer au sein de la maille du semi-conducteur. Le lien covalent que l'électron avait précédemment est maintenant en endroit où il manque un électron - on l’appelle un trou électronique. L’absence du lien covalent permet aux électrons des atomes voisins de se déplacer dans ce "trou", laissant ainsi un autre trou derrière et de cette façon le trou peut se déplacer dans la maille. Ainsi, on peut dire que les photons absorbés dans le semi-conducteur créent des trous électroniques mobiles. Un photon doit seulement avoir une énergie plus grand que celle énergie de la bande de valence pour extraire un électron de la bande de valence vers la bande de conduction. Cependant, le spectre des fréquences solaires se rapproche du spectre d’un corps noir à ~6000 K et de cette façon, un grand nombre des radiations solaires qui atteignent la Terre sont composée de photons ayant des énergies plus grand que la couche de silicium. Ces photons à l’énergie plus grande seront absorbés par la cellule solaire, et la différence entre l'énergie de ces photons et celle de la couche de silicium est convertie en chaleur (via des vibrations de la maille - appelées phonons) plutôt qu’en énergie électrique utilisable.

Circuit équivalent d’une cellule solaire Pour comprendre le comportement électronique d'une cellule solaire, il est utile de créer un modèle qui est électriquement équivalent et basé sur des composants électriques discrets. Une cellule solaire idéale peut être modélisée par une source dans un circuit parallèle comprenant une diode. En pratique, aucune cellule solaire n'est idéale, il faut dont ajouter au modèle des résistances donc une résistance en parallèle et une en série. Le résultat est "le circuit équivalent d'une cellule solaire" représenté ci-contre.

Connexion à une charge externe

Les contacts ohmiques entre les semi-conducteur métalliques sont fait autant du côté type N que du côté type P de la cellule solaire et les électrodes sont connectées à une charge externe. Les électrons qui sont créés du côté de type N, ou qui ont été "collectés" par la jonction et envoyés du côté type P, peuvent voyager dans le fil, faire fonctionner la charge et continuer dans le fil jusqu'à atteindre le contact du métal semi-conducteur type P. Ici, ils se recombinent avec un trou électronique qui a été créé du côté type P de la cellule solaire, ou alors, ils sont balayés à travers la jonction pour rejoindre le côté type N. En général, plusieurs cellules solaires sont électriquement connectées et combinées dans des "modules", ou panneaux solaires. Les panneaux solaires ont une feuille de verre sur le devant et une couche de résine à l’arrière pour protéger les éléments semi-conducteurs des éléments naturels (tel que la pluie, la grêle, etc.). Les cellules solaires sont d'habitude connectées en série, afin que leurs tensions s’ajoutent.

Le Silicium en tant que matière photovoltaïque

Le silicium est un matériel semi-conducteur solide, ce qui signifie qu'il y a certaines bandes d'énergies que les électrons peuvent avoir et d'autres bande d'énergies (situé entre ces bandes) qu'il ne peuvent pas prendre. Ces énergies interdites sont appelées "bande interdite" .A la température ambiante, le silicium pur est un faible conducteur électrique. Dans la mécanique quantique, ceci est expliqué par le fait que le niveau de Fermi se trouve dans une zone de bande interdite. Pour faire du silicium un meilleur conducteur, il est "dopé" avec de très petites quantités d'atomes de la 13eme (groupe III) ou de la 15eme (groupe V) colonne du tableau périodique des éléments. Ces atomes "dopant" prennent la place d'atomes de silicium dans la maille cristalline et si lient avec les atomes Si voisins de la même façon que les atomes Si le font entre eux. Cependant, comme les atomes de la colonne 13 ont seulement 3 électrons de valence et ceux de la colonne 15 ont 5 électrons de valence, il y a soit pas assez, soit trop d'électrons pour satisfaire les quatre liaisons nécessaires pour chaque atomes de Si. Ces électrons supplémentaires, ou le manque d'électrons ("trous") ne sont pas impliqués dans l'ensemble des liaisons qui forment la maille cristalline, ils sont donc libres de se déplacer à l'intérieur du solide. Le silicium qui est dopé avec des atomes de la colonne 13 (l'aluminium, le gallium) est appelé silicium de type P parce que la majorité des transporteurs de charge porte une charge positive (trous), et le silicium dopé avec des atomes de la colonne 15 (le phosphore, l'arsenic) est appelé silicium de type N parce que la majorité des transporteurs de charges est négative (électrons). Il devrait être noté que le silicium de type N et le silicium de type P sont électriquement neutre, c'est-à-dire qu'ils ont autant de charges positives et négatives, mais dans le silicium de type N, certaines des charges négatives sont libres de se déplacer, et c'est l'inverse pour le silicium de type P.

Diodes semi-conductrices

Dans une jonction P-N, le courant conventionnel peut aller du côté de type P (l'anode) au côté de type N (la cathode), mais pas dans l'autre sens et la courbe caractéristique de la tension et du courant, ou I-V, est due au comportement de la couche d'épuisement (ou zone d'épuisement) qui existe à la jonction P-N entre les différents semi-conducteurs. Quand une jonction P-N est créée, les électrons de la bande de conduction (mobiles) se diffusent de la région dopée N à la région dopée P où il y a un grand nombre de trous (emplacements prévu pour les électrons mais où aucun électron ne se trouve) avec lesquels les électrons "se recombinent". Quand un électron mobile se recombine avec un trou, le trou disparaît et l'électron n'est plus mobile. Ainsi, deux transporteurs de charge ont disparu. La région autour de la jonction P-N devient épuisée en transporteurs de charge et se comporte alors comme un isolant. Cependant, la largeur d'épuisement ne peut pas grandir sans limite. Pour chaque paire de trou et électrons qui se recombinent, un ion dopant positivement chargé est laissé dans la région dopée N et un ion dopant négativement chargé est laissé dans la région dopée P. Comme les processus de recombinaison et des ions sont créés, un champ électrique se développe le long de la zone d'épuisement agissant pour ralentir puis pour arrêter la recombinaison. À ce moment là, il y a un potentiel 'incorporé' à travers la zone d'épuisement. Si une tension externe est placée, à travers la diode, avec la même polarité que ce potentiel incorporé, la zone d'épuisement continue à agir comme un isolant empêchant un courant électrique significatif. Cependant, si la polarité de la tension externe s'oppose au potentiel incorporé (polarités différentes), la recombinaison peut de nouveau passer créant un courant électrique substantiel dans la jonction p-n. Les types de Cellules Solaires de Silicium

Les types de Cellules Solaires au Silicium

Les cellules solaires en silicium cristallin se répartissent en trois catégories primaires :

Toutes ces trois technologies sont fabriquées à base de gaufrette. Autrement dit, dans chacune des catégories précédentes, des gaufrettes indépendantes de 180 à 240 micromètres d'épaisseur sont manufacturées en cellules solaires et sont ensuite soudées ensemble pour former un module.

Le silicium amorphe a une bande interdite (1.7 eV) plus haute que le silicium cristallin (c-Si) (1.1 eV), ceci signifie qu'il est plus efficace pour absorber la partie visible du spectre solaire, mais il est incapable de prendre une partie importante du spectre solaire : l'infrarouge. En tant que nanocrystallin, Si a la même bande interdite que c-Si, le deux matériaux peuvent être combinés en déposant deux diodes sur le dessus de l'un l'autre créant ainsi une cellule feuilletée appelée cellule en tandem. La cellule supérieure absorbe la lumière visible et laisse la partie infrarouge du spectre à la cellule du bas, en Si nanocrystallin. Les cellules solaires semi-transparentes sont une technologie brevetée, basée sur des films minces de silicium, ayant été développée pour la construction intégrant les photovoltaics (BIPV). Ces cellules peuvent être utilisée comme vitres pour les fenêtres. Ces cellules ont pour fonction d'etre des fenêtres teintées et de produire de l'électricité.

Liens

http://www.fsec.ucf.edu/pvt/pvbasics/ (make it yourself)
http://www.re-energy.ca/pdf/cp_solarcar.pdf
http://home.earthlink.net/~bdewey/EV_solarpower.html (solar glossary), (solar history timeline)
http://www.eere.energy.gov/solar/photovoltaics.html

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