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ÉNERGIES RENOUVELABLES principes de l'énergie photovoltaïque

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ÉNERGIES RENOUVELABLES principes de l'énergie photovoltaïque

Schéma 1

Le présent article vise à donner une information pratique et complète du photovoltaïque afin de maîtriser la rentabilité d'une installation. La première partie explique les mécanismes de conversion de la lumière en électricité. Une seconde partie, à paraître le mois prochain, abordera les principaux paramètres à prendre en compte lors de la mise en œuvre de systèmes photovoltaïques.

L'énergie solaire photovoltaïque ne doit pas être confondue avec l'énergie solaire thermique qui produit de la chaleur à partir du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer de l'eau ou de l'air. L'énergie photovoltaïque convertit directement l'énergie lumineuse en énergie électrique par le biais de modules photovoltaïques composés de cellules solaires (photopiles). Selon les besoins, l'électricité produite peut être utilisée pour l'alimentation d'un site isolé ou revendue en tout ou partie au réseau de distribution.

Les cellules photovoltaïques sont composées de matériaux semi-conducteurs qui produisent un courant électrique sous l'effet de photons lumineux. Ces cellules sont raccordées entre elles pour former des modules photovoltaïques pouvant convertir en électricité environ 15 % de l'énergie solaire reçue. Un panneau de 1 m2 fournit une puissance de 100 W et produit de 80 à 150 kWh/an.

Son impact sur l'environnement est minime, avec un temps de retour énergétique faible : suivant la technologie utilisée, un capteur photovoltaïque met entre 1,5 et 3 ans pour produire l'énergie nécessaire à sa fabrication, ce qui est négligeable par rapport à sa durée de vie (de 25 à 35 ans selon les fabricants). Les modules fournissent un courant continu qui est ensuite transformé en courant alternatif par un onduleur et transféré sur les réseaux du bâtiment et/ou du distributeur, ou alimente une batterie (à des fins de stockage d'énergie). La quantité d'énergie produite par l'installation photovoltaïque dépend de sa surface, de l'orientation et de l'inclinaison des panneaux, et de l'intensité du rayonnement solaire.

Plusieurs technologies (silicium mono ou polycristallin et le silicium en ­couche mince) sont actuellement développées pour réaliser des cellules photovoltaïques dont les degrés de maturité, de performance et de durée de vie sont très différents. Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Mais pour le rendre opérationnel, il doit subir au préalable une série de traitements :

- un procédé de raffinage permettant de le rendre pur à 99 % ;

- une seconde purification chimique pour lui donner les qualités électroniques nécessaires.

Poly ou monocristal

Le silicium polycristallin est constitué de plusieurs monocristaux juxtaposés dans différentes orientations donnant à la cellule un aspect mosaïque. C'est la technologie la plus répandue dans le monde en raison de son bon rendement (13 %) pour des coûts de fabrication maîtrisés. Il offre actuellement un bon rapport qualité/prix.

Contrairement au précédent, le silicium monocristallin n'est constitué que d'un seul cristal offrant à la cellule un arrangement parfait des atomes. Son rendement est légèrement supérieur au silicium polycristallin (15 %) mais il reste assez onéreux en raison de l'importante quantité d'énergie nécessaire à sa fabrication.

En couche mince (spray), le silicium amorphe est déposé sur une plaque de verre ou sur un autre support qui peut être souple. L'organisation irrégulière de ses atomes lui confère, en partie, une mauvaise semi-conduction. Les cellules amorphes sont utilisées partout où une solution économique est recherchée ou lorsque très peu d'électricité est nécessaire, par exemple pour l'alimentation des montres, calculatrices, luminaires de secours. Elles se caractérisent par un fort coefficient d'absorption, ce qui autorise de très faibles épaisseurs, de l'ordre du micron ; a contrario, son rendement de conversion est faible (de 5 à 10 %) et les cellules ont tendance à se dégrader plus rapidement sous la lumière. L'avantage de cette technique est la possibilité d'empiler différents types de couches de divers matériaux pour former des structures multijonctions de type Cellule tandem (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin). Ces dernières augmentent davantage la tension de la cellule et diminuent les effets de la stabilisation.

En dehors de la technologie cristalline, il existe d'autres technologies qui commencent à être commercialisées telles que le tellure de cadmium (CdTe) en couche mince et les alliages à base de cuivre, d'indium et de sélénium (CIS ou CIGS).

Application autonome ou raccordée

Une fois le courant généré, Il est utilisé directement (alimentation autonome) ou est injecté dans le réseau public de distribution d'électricité.

L'installation photovoltaïque autonome (schéma 1) produit de l'électricité pour un bâtiment ou un autre consommateur qui n'est pas relié au réseau. La plupart de ces installations alimentent des sites éloignés de tout réseau public (habitat de montagne ou d'île par exemple) ou des instruments isolés (relais de télécommunication, bouées de signalisation maritime, signalisations autoroutières, etc.).

Pour une utilisation en courant continu, un régulateur électronique assure la charge d'une batterie d'accumulateurs (généralement en 12 V pour les petites installations). Il permet d'arrêter la charge des batteries lorsque celles-ci sont complètement chargées et de couper le courant dans le circuit de consommation avant que les batteries ne soient complètement déchargées. Les batteries stockent l'énergie produite par le champ photovoltaïque pour la restituer à la demande. Les batteries les plus utilisées sont au plomb, en raison de leur faible coût et de la simplicité de leur mise en œuvre. Si les appareils électriques utilisés sont prévus pour fonctionner avec du courant alternatif, un onduleur est nécessaire. (Voir schéma 1)

Les panneaux solaires photovoltaïques raccordés au réseau de distribution électrique (schéma 2). Ce raccordement ne peut se faire qu'après transformation, à l'aide d'un onduleur, du courant continu de tension variable fourni par les panneaux en courant alternatif adapté aux caractéristiques du réseau. Ce système est actuellement soutenu par les pouvoirs publics. Les installations photovoltaïques raccordées au réseau et intégrées au bâti produisent de l'électricité sur le lieu de consommation. L'électricité produite peut être vendue en totalité ou en partie à EDF. Le droit d'obligation d'achat concerne les installations photovoltaïques, sous réserve que la puissance installée ne dépasse pas 12 MW. Depuis l'arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d'achat de l'électricité produite par les installations utilisant l'énergie radiative du soleil, l'intégration au bâti fait l'objet d'une prime. Cette prime vise à faciliter le développement de composants standard de la construction neuve intégrant la fonction de production d'électricité photovoltaïque.

(Voir schéma 2 - Installation photovoltaïque raccordée au réseau)

Des notions de physique

Le photovoltaïque convertit directement l'énergie lumineuse en énergie électrique. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet photovoltaïque. Dès que la lumière percute un matériau comme le silicium, la conversion d'énergie fait intervenir trois phénomènes ­physiques intimement liés et simultanés :

. l'absorption de la lumière dans le matériau ;

. le transfert d'énergie des photons aux champs électriques ;

. la collecte des charges. Le silicium constitue un matériau photovoltaïque performant qui présente des propriétés optiques et électriques spécifiques pour assurer la conversion photovoltaïque. Ainsi, lorsqu'un rayon lumineux formé de photons entre en contact avec un matériau solide, une partie de l'énergie est absorbée dans le matériau, une autre est réfléchie et une troisième transmise. Pour augmenter le rendement de la conversion photovoltaïque, il faut optimiser l'absorption du flux solaire, tout en réduisant les pertes optiques par réflexion ou par transmission (Voir schéma 3 - Les trois événéments optiques d'un rayon lumineux).

L'absorption :

Seule la lumière absorbée est restituée sous forme d'énergie électrique. Le matériau photo­voltaïque utilise différemment toutes les longueurs d'ondes du spectre solaire : il se caractérise par sa réponse spectrale, c'est-à-dire l'efficacité avec laquelle il transforme l'énergie d'un rayonnement d'une longueur d'onde en énergie électrique. Cette efficacité dépend essentiellement des caractéristiques du matériau. Ainsi, la courbe d'absorption d'une cellule photovoltaïque au silicium ne concerne qu'une partie du rayonnement : celle comprise entre 0,35 et 1,1 µm, à savoir une partie du rayonnement ultraviolet (0,35 à 0,40 µm), l'essentiel du rayonnement visible (0,40 à 0,70 µm) et une partie du rayonnement infrarouge (0,70 à 1,10 µm).

La transmission :

Selon l'épaisseur du matériau, la transmission de la lumière est plus ou moins importante : les cellules au silicium cristallin à forte épaisseur (0,2 µm) ne transmettent pas de lumière, contrairement aux dispositifs en couche mince de type silicium amorphe (épaisseur inférieur à 1 µm) à travers lesquels la transmission n'est pas négligeable.

Pour diminuer cette transmission, il est possible d'appliquer, à l'arrière d'un matériau « rugueux », une électrode présentant une propriété de réflexion adaptée (comme l'aluminium) qui piège la lumière dans le matériau par diffusion de la lumière réfléchie sur l'aluminium.

La réflexion (Voir schéma 4 - Taux de réflexion)

La réduction de la réflexion de la lumière se fait en jouant sur les indices de réfraction des matériaux traversés, indices directement dépendants du taux de réflexion des matériaux (schéma 4). Plus la différence des indices de réfraction est élevée de part et d'autre d'une surface, plus elle est réfléchissante. Ainsi, le silicium brut, d'un indice de réfraction de 3,75, au contact direct avec l'air (d'un indice de réfraction de 1) réfléchit 33 % de la lumière incidente, pourcentage trop élevé pour assurer un rendement acceptable de la conversion photovoltaïque. Le moyen de réduire ce taux de réflexion est d'inter­caler entre le silicium et l'air un empilement optique constitué de matériaux à indice de réfraction différente afin de diminuer le différentiel de réfraction entre l'air et le silicium (voir Schéma 5 - Exemple d'empilement optique d'une cellule cristalline).

L'autre moyen de réduire le taux de réflexion est d'ajouter en surface un film antireflet qui diminue le renvoi de rayons lumineux vers l'atmosphère, et donc d'absorber une plus grande partie du flux lumineux. Selon ce principe, un ­laboratoire d'Osaka traite la surface des cellules pour obtenir des microcavités destinées à piéger la lumière. Plus récemment, un fabricant de revêtements spéciaux (STI) a développé une solution de dioxyde de titane qui, lorsqu'elle est appliquée sur le substrat de verre des cellules photovoltaïques, réduit la réflexion du substrat et génère de nouveaux petits faisceaux à l'intérieur du revêtement, augmentant ainsi le taux de conversion solaire de 3 à 5 %.

Propriétés électriques

Caractérisée par la présence de quatre électrons sur sa couche périphérique (Voir schéma 6 - Atome de silicium), le silicium présente toutes les propriétés électriques d'un semi-conducteur permettant de convertir la lumière absorbée en électricité. Ce transfert d'énergie des photons aux charges électriques s'appelle la photo­conductivité : il s'explique par la propriété que présente le silicium à contenir quatre électrons relativement mobiles dotés d'une faible énergie de liaison. Dans l'obscurité, les électrons sont peu mobiles . À la lumière, les photons absorbés par le silicium apportent une telle énergie que la mobilité des électrons du matériau s'en trouve fortement accrue, ce qui se traduit par une augmentation de la conductivité du matériau. (Voir schéma 6)

Le principe de ce photocourant est le suivant : les électrons tournent autour du noyau sous l'effet de la lumière ; les ­électrons de la couche périphérique des atomes sont « arrachés » sous l'action du choc d'un photon. Les électrons « décrochés » des atomes créent ainsi un courant continu directement utilisable aux bornes de la cellule photovoltaïque, sous une tension électrique continue (schéma. 7).

Pour arracher un électron, il faut que le photon ait suffisamment d'énergie. Le photon possède une énergie cinétique (E) qu'il est possible de déterminé comme suit :

E = h. avec= C/? ;

avec :

? E : énergie cinétique (eV - électron-volt) ;

? h : constante de Planck (6,626.10-34 J.s) ;

?   : fréquence du rayonnement liée à la longueur d'onde (Hz) ; 

? C : célérité de la lumière dans le vide (3.108 m/s) ;

- ? : longueur d'onde de la lumière (µm).

Donc :

L'énergie cinétique (E) nécessaire à l'arrachage des électrons est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde du photon (?).

Ainsi, pour qu'un électron lié à son atome (bande de valence) (1) soit arraché pour participer à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimale (seuil d'énergie) afin qu'il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (la bande de conduction) : c'est l'énergie du gap optique ou largeur de bande interdite Eg, exprimée en eV.

Cette valeur seuil est propre à chaque matériau en raison de la structure électronique différente de chaque type d'atome. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin et de 1,7 eV pour le silicium amorphe. (Voir schéma 7 - Photopile en silicium)

Dans le cas du silicium, l'énergie minimale nécessaire correspond à l'énergie des photons ayant une longueur d'onde inférieure à 1,1 µm (Voir schéma 8).

REMARQUE :

Le photon ne cède sous forme électrique qu'une fraction de son énergie cinétique, à savoir l'énergie nécessaire à la libération d'un électron, le reste étant dissipé sous forme de chaleur. Ainsi, une part importante de l'énergie des photons de courte longueur est perdue en chaleur dans la cellule photovoltaïque. En quelque sorte, quelle que soit l'énergie du photon, pourvu qu'elle soit supérieure à Eg, chaque photon absorbé ne crée qu'une seule paire d'électron-trou(2) d'énergie Eg (schéma 7).

Une fois les charges électriques libérées (électrons chargés négativement et trous chargés positivement), il faut les séparer et les extraire hors du matériau semi-conducteur (silicium) dans le circuit électrique. La méthode utilisée pour créer ce champ électrique est celle du « dopage » au moyen d'impuretés ; le dopage d'un matériau pur permet d'amener des charges électriques excédentaires qui améliorent sa conductivité. Il existe deux types de dopages :

- le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la matrice de silicium des atomes d'impuretés pentavalentes tels que le phosphore P, qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative) libre de se mouvoir dans le cristal. Le matériau est donc potentiellement « donneur » d'électron disponible pour la conduction : le silicium est appelé silicium de type n ;

- le dopage de type p (positif) utilise des atomes d'impuretés trivalentes tel que le bore B, dont l'insertion dans la structure cristalline du silicium donne un excédent de trous (charge positive). À l'inverse du précédent, le matériau est « accepteur » d'électron : le silicium est appelé silicium de type p.

Dès que les deux semi-conducteurs sont en contact, une jonction p-n se crée, au voisinage de laquelle apparaît un champ électrique interne provoqué par le déséquilibre des charges. Ce champ électrique va ainsi contribuer à collecter les électrons détachés par l'énergie des photons. La collecte du courant se fait par des contacts métalliques en forme de grilles sur chaque face. Si les électrodes sont reliées à un circuit extérieur, un courant peut circuler. Ce dispositif devient générateur électrique sous l'effet de la lumière. La jonction p-n a donc les caractéristiques électriques d'une diode au silicium classique avec, sous illumination, l'apparition d'un photocourant indépendant quelle que soit la tension, proportionnel au flux lumineux et à la surface de la cellule. (Voir schéma 9)

Courbe caractéristique électrique

Une cellule photovoltaïque est définie par sa courbe caractéristique électrique (courant-tension). Elle indique la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule depuis le court-circuit jusqu'au circuit ouvert. (Voir schéma 10)

D'après les caractéristiques courant-tension, il est possible de déduire d'autres paramètres électriques spécifiques à chaque matériau :

- le courant de court-circuit (Icc) correspondant au courant débité par la cellule quand la tension à ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est très proche du photocourant Iph) ;

- la tension du circuit (Vco) correspondant à la tension qui apparaît aux bornes de la cellule quand le courant débité est nul.

Entre ces deux valeurs, il existe un optimum donnant la plus grande puissance Pm ou puissance crête caractérisant la performance de la cellule.

Le facteur de forme FF indique le degré d'idéalité de la caractéristique correspondant au rapport suivant :

avec :

? FF : facteur de forme qui indique le degré d'idéalité de la caractéristique ;

? Pm : puissance maximale mesurée dans les conditions de référence (STC : Standard Test Condition), c'est-à-dire sous l'ensoleillement de 1 000 W/m2, à la température de 25 °C sous un spectre AM 1,5.

? Vco : tension du circuit correspondant à la tension qui apparaît aux bornes de la cellule quand le courant débité est nul (V).

? Icc : courant de court-circuit correspondant au courant débité par la cellule quand la tension à ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est très proche du photocourant Iph) (A).

Cette courbe (schéma 10) est établie dans des conditions de fonctionnement données (ensoleillement, température à la surface de la cellule, etc.) et varie selon le type de cellule. Par exemple, une cellule en silicium amorphe a une tension plus élevée qu'une cellule en silicium cristallin mais son courant est nettement plus faible, en raison de sa moins bonne collecte et de sa faible épaisseur.

Rendement photovoltaïque

Le rendement énergétique ( ) d'une cellule est défini par le rapport entre la puissance maximale (Pm) et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la cellule photovoltaïque :

avec :

- : rendement énergétique ;

? E : éclairement (W/m2) ;

? S : surface active de la cellule (m2) ;

? Pm : puissance maximale mesurée dans les conditions de référence (STC : Standard Test Condition), c'est-à-dire sous l'ensoleillement de 1 000 W/m2, à la température de 25 °C sous un spectre AM 1,5 .

Le rendement d'une cellule photovoltaïque est généralement assez faible (10 à 20 %). De meilleurs rendements peuvent être obtenus à l'aide de nouveaux matériaux (arséniure de gallium donne des rendements supérieurs à 25 % en laboratoire) ou de techniques expérimentales (technologies multicouches) souvent difficiles et coûteuses à mettre en œuvre.Cependant, le matériau photovoltaïque le plus utilisé est le silicium qui représente une solution économique : son rendement énergétique ne dépasse pas les 15 %. Ces faibles rendements sont dus :

- aux pertes (réflexion, pertes Joules, etc.) ;

- et au fait que la sensibilité de la cellule ne couvre pas la totalité du spectre du rayonnement solaire.

L'un des moyens d'améliorer le rendement consiste à optimiser le couplage entre la lumière incidente et les matériaux photovoltaïques constituant la cellule. Il existe deux voies possibles. La première consiste à minimiser la réflexion à l'interface air-cellule à l'aide de traitement antireflet (couches minces ou surfaces structurées). La seconde repose sur l'ingénierie du champ électromagnétique : il s'agit de contrôler la répartition de l'épaisseur de la cellule du champ électromagnétique créé par la lumière afin d'optimiser l'énergie dans la zone où a lieu la génération des excitons(3). Le rendement d'une cellule dépend également de l'éclairement et de la température. (Voir tableau ci-dessous)

Influence de l'éclairement

L'énergie électrique produite par une cellule dépend de l'éclairement qu'elle reçoit sur sa surface. Pour augmenter l'éclairage des ­cellules, il est conseillé de les orienter de sorte que les rayons solaires frappent perpendiculairement la surface de la cellule. D'où l'intérêt

des panneaux à inclinaison variable qui ont un rendement bien meilleur que les fixes.

Losqu'une cellule est­­ occultée par une feuille morte, ombre. elle ne peut délivrer qu'un courant limité. Elle fonctionne donc inversement aux autres cellules non occultées du module qui délivrent un courant supérieur à ce courant limité. Un échauffement de la cellule (appelé hot spot) se produit alors. Il peut provoquer des dégâts irréversibles (détérioration des contacts, de la couche antireflet, etc.) visibles à l'œil nu (apparition d'une couleur brune au niveau de la cellule). Pour remédier à ce phénomène, il suffit de placer une diode by-pass(4) par série de 18 cellules dans la boîte de jonction en sortie du panneau.

Influence de la température

L'influence de la température est importante et a des conséquences pour la conception des panneaux et des systèmes photovoltaïques. Une partie du rayonnement absorbé n'est pas convertie en énergie électrique : elle se dissipe sous forme de chaleur ; c'est pourquoi la température de la cellule (Tc) est toujours plus élevée que la température ambiante (Ta) avec :

- Tc : température de la cellule (°C) ;

- Ta : température ambiante (°C) ;

? Em : éclairement moyen (W/m2)  ;

? TUC : température d'utilisation de la cellule (°C).

En température, la cellule perd de 0,4 à 0,5 %/° C. Afin de limiter cette baisse de production, une ventilation adaptée des modules par l'arrière doit être prévue pour éviter l'augmentation de la température durant les mois les plus ensoleillés. Sur des systèmes intégrés, le maintien de la ventilation devient plus délicate. Lors du calcul d'une installation solaire, il faut garder à ­l'esprit que l'éclairement et la température varient simultanément et en permanence. Ce point est très souvent négligé lors du dimensionnement de l'installation : il est donc recommandé de bien connaître les conditions et la variation climatique du site choisi dès la conception du projet photovoltaïque.

Tableau ; Coefficient de performance des trois types de cellules

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