Energie solaire et photovoltaïque

Radiation solaire

Le Soleil se comporte comme un corps noir avec une température d’environ 5800 K.
Il émet une radiation qui, en dehors de l’atmosphère, a un rayonnement spectral allant du champ de l’infrarouge à celui de l’ultraviolet, avec un pic dans le champ visible (à hauteur d’une longueur d’onde d’environ 0,5 µm).
La puissance incidente sur une surface unitaire perpendiculaire au rayon (appelée “constante solaire”) est égale à 1367 W/m².

Au moment du contact avec l’atmosphère, une partie de l’énergie associée à la radiation solaire se disperse par réflexion et dispersion dans l’espace extérieur et une autre partie par absorption de certaines molécules (principalement H2O, CO2, ozone).
La radiation qui n’est ni réfléchie ni dispersée mais qui atteint en ligne droite la surface terrestre, est appelée radiation directe.
En revanche la radiation qui atteint la Terre après avoir été réfléchie et/ou absorbée est appelée radiation diffuse.
La façon dont la radiation est divisée entre action directe et diffuse dépend des conditions météorologiques : avec un ciel couvert toute la radiation est diffusée, tandis qu’avec un ciel limpide l’action directe est au moins égale à 80 %.

Un troisième élément de la radiation, souvent négligeable par rapport aux deux autres, appelé albédo et composé de la radiation qui atteint la surface de réception après avoir été réfléchi par la surface terrestre.
L’irradiance au sol ne dépend pas seulement des conditions météorologiques et de la saison mais aussi de la latitude, de l’altitude, de l’inclinaison de la surface de réception par rapport au plan horizontal et de l’angle par rapport au Sud (azimut).

Un autre concept important est celui de Masse d’Air (MA): elle représente la longueur relative parcourue par les rayons solaires directs à travers l’atmosphère.
Pendant une journée de beau temps en été, au niveau de la mer avec le soleil au zénith on a MA = 1. Pour les applications satellitaires on a MA = 0. Une valeur typique sur la surface terrestre est MA = 1,5 : cette valeur de masse d’air, avec irradiance de 1000 W/m² et une température de 25°C, est utilisée pour les essais de laboratoire sur les cellules et les modules photovoltaïques (conditions standards STC).

Cellule photovoltaïque et principe de fonctionnement

L’élément base de tout générateur photovoltaïque correspond à ce que l’on appelle la cellule.
Sa forme est généralement carrée et peut être réalisée en silicium monocristallin, en silicium polycristallin ou en film fin (silicium amorphe ou autres semi-conducteurs comme le diséléniure de cuivre et indium (CIS) ou le tellurure de cadmium CdTe).

Une cellule solaire est fondamentalement une diode à semi-conducteur de grosse section. Son épaisseur va du micromètre (à savoir 1000^e de millimètre) à quelques centaines de micromètres pour le silicium cristallin.

La diode est composée d’un substrat dopé de type P (avec impuretés du III groupe, comme le bore) sur laquelle est placée une couche très fine de substrat dopé de type N (avec impuretés du V groupe, comme le phosphore). L’épaisseur de cette seconde couche est fortement réduite au point de permettre à la radiation solaire de pénétrer jusqu’à la zone de jonction.

La jonction présente un champ électrique à partir du moment où les électrons de la zone de type N se diffusent dans la zone de type P : de cette manière la zone de type N se charge positivement, alors que la zone de type P se charge négativement.

Lorsque la cellule est frappée par la radiation solaire, les photons caractérisés par un niveau suffisant d’énergie dû à l’effet photoélectrique, “libèrent” les électrons de la zone chargée négativement, en les faisant passer par la bande de valence à celle de conduction. Les photons ont tendance à se déplacer vers la zone positive pour rétablir l’équilibre électrique. Ce flux d’électrons correspond au courant de génération.

Le processus de réalisation d’une cellule est très complexe. Les principales phases qui le caractérisent sont les suivantes:

• le dopage, à savoir l’introduction dans la cellule d’atomes de bore et de phosphore afin de pouvoir générer le courant électrique ;
• la réalisation des contacts métalliques, composés d’une surface continue sur la partie arrière de la cellule et d’une grille sur la partie avant, et ce pour augmenter le flux électrique capté ;
• la réalisation d’un revêtement antiréfléchissant, à savoir le dépôt d’une fine couche d’oxyde de titane, afin de diminuer le composant de radiation réfléchie et en conséquence d’augmenter le rendement de la cellule.

Afin de pouvoir effectuer une comparaison entre les prestations des différentes cellules, on utilise les conditions opérationnelles de référence “STC” (Standard Test Condition). Ces conditions, par convention, sont les suivantes:

• l’intensité de la radiation solaire égale à 1000 W/m² (équivalente aux conditions d’ensoleillement lors d’une journée de soleil avec un ciel sans nuages);
• la température de la cellule égale à 25°C;
• MA = 1,5.

Module photovoltaïque

Le module ou panneau photovoltaïque est un assemblage de cellules reliées en série, en mesure de générer de l’énergie électrique s’il est exposé à la radiation solaire.

Les cellules, soudées entre elles, sont enfermées entre deux couches : la couche avant et transparente, composée d’un verre (d’une épaisseur d’environ 4mm) à haute transmittance est en mesure de résister à des pressions de l’ordre de 500÷600 Kg/m². Un polymère appelé EVA (Ethylene Vinyl Acetate) soude les deux couches et rend la structure hermétique. La couverture située à l’arrière est généralement composée d’un verre ou d’une plaque de Tedlar.

Générateur photovoltaïque

Pour obtenir des puissances significatives, il est nécessaire de relier plusieurs modules photovoltaïques.
On appelle chaîne un groupe de modules reliés en série. Les générateurs photovoltaïques sont formés d’une ou plusieurs chaînes reliées en parallèle (array).

En présence de dissymétries (mismatching) dues à des diversités intrinsèques des caractéristiques des modules ou à des ombrages, les branchements en série/parallèle peuvent entraîner des réductions de la puissance générée. Pour cette raison il est nécessaire d’utiliser des protections appropriées (diodes).