L’électricité solaire
Apprivoiser l’énergie solaire et la transformer en électricité implique également un système de stockage pour pallier au manque d’ensoleillement.
Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et à celles des semi-conducteurs.
Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu’un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu’il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction).
C’est l’énergie du «band gap», Eg, en électron-volt (eV)
Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1.0 à 1,8 eV pour les applications pLe spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons – particules de lumière – en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d’onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste passera au travers de l’épaisseur de la cellule.
Les photons absorbés dont l’énergie est supérieure à l’énergie du band gap vont libérer un électron négatif, laissant un «trou» positif derrière lui.hotovoltaïques.
Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si), et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si)
Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique, E, de part et d autre de la cellule.
Le dopage par impuretés
La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du «dopage» par des impuretés.
Deux types de dopage sont possibles:
1, – Le dopage de type n (négatif)
Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C’est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si)
Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.
2, – Le dopage de type p (positif)
Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l’insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium. Lorsque l’on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d’autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d’ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l’absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque. Lorsque l’énergie du band gap augmente, le courant diminue mais la tension est plus élevée
Systèmes photovoltaïques
La cellule individuelle, unité de base d’un système photovoltaïque, ne produit qu’une très faible puissance électrique, typiquement de 1 a 3 W avec une tension de moins d’un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau).
Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées en série pour des applications en 12 V. Le courant de sortie, et donc la puissance, sera proportionnelle à la surface du module.
L’interconnexion de modules entre eux – en série ou en parallèle – pour obtenir une puissance encore plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose d’un champ de modules et d’un ensemble de composants qui adapte l’électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé aussi «Balance of System» ou BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la structure rigide (fixe ou mobile) pour poser les modules, le câblage, la batterie en cas de stockage et son régulateur de charge, et l’onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif.
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