mémoire de PFE S6

Université IBN TOFAIL

faculté des sciences

Introduction Face à une demande croissante d’énergie et à l’épuisement à plus ou moins long terme des énergies fossiles, différentes solutions de substitution ont été envisagées. Suite aux crises pétrolières, certains pays ont mené une politique orientée vers le nucléaire alors que d’autres ont massivement utilisé les énergies renouvelables avec l’adoption de photovoltaïque. Les gisements des ressources énergétiques traditionnelles, d’origines principalement fossiles, ne peuvent être exploités que pour quelques décennies, ce qui laisse présager d’une situation de pénurie énergétique au niveau mondial de façon imminente. D’autre part, les déchets des centrales nucléaires posent d’autres problèmes en termes de pollution des déchets radioactifs, du démantèlement prochain des vieilles centrales et du risque industriel. Pour subvenir aux besoins en énergie de la société actuelle, il est nécessaire de trouver des solutions adaptées et de les diversifier. Actuellement, il y a principalement deux façons possibles d’agir. La première est de diminuer la consommation des récepteurs d’énergie et augmenter la productivité des centrales énergétiques en améliorant respectivement leur efficacité. Une deuxième méthode consiste à trouver et développer de nouvelles sources d’énergie. Des recherches sont en cours dans le domaine de la fusion des noyaux atomiques qui, éventuellement, pourraient être une solution énergétique du futur, mais l’avenir de cette filière et encore moins son avènement ne sont assurés. Les types de modèles utilisés dans le domaine des énergies nombreux, parmi les énergies renouvelables, on comte le vent, les flux marins et océaniques, la géothermique, le solaire PV, etc.…. Ce dernier est une source d’énergie très puissante. En effet, la puissance du rayonnement solaire au niveau du sol est d’environ 950Watt/m2. La quantité totale d’énergie solaire reçue au niveau du sol pendant une semaine dépasse l’énergie produite par les mondiales de l’énergie de pétrole, de carbone, de gaz naturel et d’uranium. Mais dans la plupart des cas, une conversion de l’énergie du rayonnement solaire nécessaire. Les cellules photovoltaïque sont les constituons des panneaux solaires. L’électricité photovoltaïque est obtenue par la transmission directe de la lumière du soleil. Par ce biais, la production a connu une croissance importante depuis les années 1990-95, allant jusqu'à dépasser les 700MWc en 2003. Les projections les plus courants prévoient un marché annuel est de l’ordre de 3 GC pour l’année 2010 et entre 9 et 21 GC pour 2020. Pour faire face a cette croissance, nous jugeons nécessaire de rendre optimal le rendement des cellules photovoltaïque en concevant un système qui permet de lutter contre les effets néfastes des intempéries. En effet, ces derniers contribuent à une atténuation conséquente de l’échange thermique, donc une réduction d’efficacité en termes rendement.

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Chapitre I : Généralité sur l’énergie renouvelable Les sources renouvelables d’énergie, permettant une production décentralisée de l’électricité, peuvent contribuer à résoudre le problème de l’électrification des sites isolés où un grand nombre d’individus est dépourvu de tout apport énergétique, ne pouvant ainsi satisfaire aucun besoin même minime et améliorer ses conditions de vie. Faisant appel à des sources d’énergie universellement répandues, nécessitant un minimum de maintenance, la solution photovoltaïque représente le plus souvent le choix économique et technologique idéal pour les régions ou installations isolées. Une énergie renouvelable est une source d'énergie qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de l'homme. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique). Soulignons que le caractère renouvelable d'une énergie dépend non seulement de la vitesse à laquelle la source se régénère, mais aussi de la vitesse à laquelle elle est consommée. Les principales sources d’énergies renouvelables  Géothermie  Biomasse  Biomasse  Hydraulique  Eolienne  photovoltaïque Dans ce modeste travail on va mettre le point sur l’énergie photovoltaïque.

I.1 Production photovoltaïque L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semi-conducteurs. Ces matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est apportée par les photons, (composants de la lumière) qui heurtent et libèrent les électrons, induisant ainsi un courant électrique. Ce courant continu de micro puissance calculé en watt crête (Wc) peut être transformé en courant alternatif grâce à un onduleur. La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photoélectrique. Cette cellule produit du courant continu à partir du rayonnement solaire. Elle est reliée à d’autres cellules sur un module solaire photovoltaïque (l’ensemble des modules sont regroupés pour former une installation solaire). Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.

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Figure : Puissance PV cumulée dans le monde en MW

I.2 Historique : L'effet photovoltaïque a été découvert pour la première fois en 1839 par Edmund Becquerel, un physicien français. Edmund a constaté que certains matériaux pouvaient produire de petites quantités d'électricité quand ils étaient exposés à la lumière. Albert Einstein se pencha sur ce travail. En 1905, il publie un papier sur le potentiel de production d'électricité à partir de la lumière du soleil. Ce document explore l'effet photovoltaïque, Technologie sur laquelle est fondé le panneau solaire. En 1913, William Coblentz a posé le premier brevet pour une cellule solaire, mais il ne pourra jamais la faire fonctionner. En1916, Robert Millikan a été le premier à produire de l'électricité avec une cellule solaire. Pendant les quarante années suivantes, personne ne fit beaucoup de progrès en énergie solaire car les cellules photovoltaïques avaient un trop mauvais rendement pour transformer la lumière du Soleil en énergie. Le premier panneau solaire a été construit en 1954 par les laboratoires Bell. Il a été appelé batterie solaire mais c'était juste un effet d'annonce car il était trop coûteux à produire. Ce sont les satellites qui ont réellement fait avancer l'énergie solaire dans les années 1960 lors la course à l'espace. Les satellites ont besoin d'une source d'énergie fiable. L'énergie solaire est parfaite car c'est une source d'énergie constante pour les satellites en orbite. L'industrie spatiale mis beaucoup de fonds dans le développement des panneaux solaires. C'était la première utilisation importante de la technologie solaire. Grâce à l'espace, les panneaux solaires ont prouvé leur fiabilité. Le coût de production des cellules solaires a également diminué. L'énergie solaire a eu un second élan au cours de la crise de l'énergie dans les années 1970. Quand le prix du pétrole a augmenté de façon spectaculaire, les panneaux solaires photovoltaïques ont commencé à être utilisés pour la première fois dans les maisons. Depuis les panneaux solaires se sont développés lentement. Pendant longtemps, ils ont été considérés comme des sources d'énergies alternatives.

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Chapitre II : Principes de fonctionnements du système photovoltaïque II.1 la 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 celles des semi-conducteurs.

II.2 Le semi-conducteur 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 photovoltaïques. 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 d’une cellule PV

L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun 4



fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule (figure). L’effet repose donc à la base sur les propriétés semi-conductrices du matériau et son dopage afin d’en améliorer la conductivité. Le silicium employé aujourd’hui dans la plupart des cellules a été choisi pour la présence de quatre électrons de valence sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de Mendeleïev). Dans le silicium solide, chaque atome dit tétravalent est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche périphérique participent aux liaisons. Si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne V (phosphore par exemple), un de ses cinq électrons de valence ne participe pas aux liaisons; par agitation thermique, il va très vite passer dans a bande de conduction et ainsi devenir libre de se déplacer dans le cristal, laissant derrière lui un trou fixe lié à l’atome de dopant. Il y a conduction par un électron, et le semi-conducteur dit dopé de type n. Si au contraire un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne III (bore par exemple) à trois électrons de valence, il en manque un pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut rapidement venir combler ce manque et occuper l’orbitale vacante par agitation thermique. Il en résulte un trou dans la bande de valence, qui va contribuer à la conduction, et le semi-conducteur est dit dopé de type p. Les atomes tels que le bore ou le phosphore sont donc des dopants du silicium. Les cellules photovoltaïques sont assemblées pour former des modules.

Chapitre III : Technologie photovoltaïque III.1 Cellules photovoltaïques Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisées, les autres types étant encore soit en phase de recherche et développement, soit trop chères et réservées à des usages ou leur prix n’est pas un obstacle. On distingue en outre, en fonction des technologies utilisées :

 Cellule monocristallin : Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu’un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en tranches qui donneront les calcules. Ces cellules sont en général d’un bleu uniforme.

 Avantages : Il possède un très bon rendement, de 150WC/m2 ou plus(en 2007), et durée de vie importante (+/- 30 ans).

 Inconvénients :

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Coût élevé et il a un rendement faible sous un faible éclairement.  Cellule polycristallin Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d’respect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

 Avantages La cellule de forme carré (à 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 à produire que le monocristallin, et meilleur marché que monocristallin.

 Inconvénient On rendement faible Sous un faible éclairement.Ce sont les cellules les plus utilisées pour la fabrication électrique (meilleur rapport qualité-prix).

 Cellule sans silicium en couche mince cis

Cellule photovoltaïque de type : cuivre - indium – sélénium: CulnSe2 (CIS) Elles représentent la deuxième génération de cellules solaires sous forme de films minces. Les matières premières nécessaires à la fabrication des cellules CIS sont plus faciles à se procurer que le silicium. De plus, leur efficacité de conversion énergétique est la plus élevée à ce jour pour des cellules photovoltaïques en couche mince.

 Avantages Permet d’obtenir les meilleurs rendements par rapport aux autres cellules photovoltaïques en couche mince, et de S’affranchir du silicium. Les matériaux utilisés ne causent pas de problème de toxicité !!!, la cellule peut être construite sur un substrat flexible.

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 Inconvénients Es cellules en couche mince nécessitent une surface plus importante pour atteindre les mêmes rendements que les cellules épaisses.

 Cellule silicium amorphe en couche mince Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé ou marron. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

 Avantages Fonctionnent avec un éclairement faible, et bon marché par rapport aux autres types de cellules moins sensible aux températures élevées.

 Inconvénients Rendement faible (≈ 60 WC/m²), les cellules en couche mince nécessite une surface plus importante pour atteindre les mêmes rendements que les cellules épaisses. La durée de vie courte (+/- 10 ans), diminuent sensiblement avec le temps. Rendement module commercial : 5 à 9%. Rendement record en laboratoire : environ 13,4%.

 Cellules photovoltaïques organiques Le semi-conducteur utilisé est un polymère comme par exemple le polyacétylène. Des recherches sont en cours afin que toutes les couches de la cellule soit de nature polymère. Objectif : manipuler un seul type de matériau et donc une même technologie tout au long du processus de fabrication.

 Avantages Une forte absorption optique, des substrats variés ainsi que des techniques de dépose assez simple.

 Inconvénient Est que la longévité de ces cellules n’est toujours pas maîtrisée.

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Chapitre IV : Processus de fabrication IV.1 Extraction et purification de silicium Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel. Le silicium (Si) n'existe pas à l'état pur dans la nature. Il est fabriqué à partir de sable quartzeux dioxyde de silicium SiO2 grâce à la réaction chimique simplifiée : SiO2 + 2 C → Si + CO Cette réaction se réalise dans un four à arc car elle nécessite de faire fondre la silice. La température du four peut atteindre 3 000 °C. Après cette opération, le silicium est obtenu sous forme liquide. Sa pureté est de 98 %. Il faut le purifier encore !!! Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique qui se présente sous forme liquide, puis coulé sous forme de lingot suivant le processus pour la cristallisation du silicium, et découpé sous forme de fines plaquettes . Au final, le procédé de purification aboutit à l'obtention de lingots de silicium purifiés à 99.99 % : Il existe deux grandes méthodes de cristallisation : La première permet d'obtenir du silicium polycristallin (composé de plusieurs cristaux). Et la deuxième permet d'obtenir du silicium monocristallin (composé d'un seul cristal).

 Le silicium polycristallin Le silicium polycristallin est obtenu par coulage en lingotière dans laquelle s'opère un refroidissement lent, de l'ordre de quelques dizaines d'heures. On obtient au final des lingots cubique. Cette forme est recherchée afin d'optimiser l'espace lorsque les plaquettes (obtenues par découpage en lamelles des lingots de silicium) seront placées en série sur un module photovoltaïque.

Le silicium polycristallin présente une couleur grise. Il est constitué d'une mosaïque de cristaux monocristallins de silicium, d'orientation et de tailles différentes.

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 Le silicium monocristallin Une des méthodes pour fabriquer du silicium monocristallin est la méthode dite de Czochralki. Le silicium est placé dans un creuset de quartz et maintenu liquide à l'aide d'éléments chauffants. Lorsque la surface est à la température limite de solidification, on y plonge un germe monocristallin. Le silicium se solidifie sur ce germe selon la même orientation cristallographique. On tire lentement le germe vers le haut, avec un mouvement de rotation, tout en contrôlant minutieusement la température et la vitesse. Le silicium monocristallin ainsi obtenu, sous forme de lingots circulaires, est constitué d'un seul type de cristal et présente une couleur uniforme grise. Le silicium monocristallin, plus élaboré que le silicium polycristallin, présente un rendement (conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique) supérieur. Sa production demande cependant une plus grande dépense énergétique. L'équeutage consiste à éliminer les extrémités du lingot soit mal cristallisées soit riches en impuretés. Les extrémités sont ensuite refondues pour le départ d'un nouveau cycle de production. Lors du tirage, le diamètre du lingot varie légèrement ce qui constitue des ondulations à sa surface. Pour obtenir des plaquettes de même diamètre un polissage cylindrique est nécessaire.

 Obtention des wafers photovoltaïques Les lingots cylindriques (silicium monocristallin) ou parallélépipédiques (silicium polycristallin) de silicium obtenus à l'issue de l'étape de solidification sont ensuite sciés en fines plaques de 200 micromètres d'épaisseur qui sont appelées « wafers » (en anglais, "wafer" signifie "galette"). La coupe des lingots est effectuée par une scie à fil : Le principal problème du sciage est la perte de découpe. Avec une scie à fil, il faut 570 μm de silicium pour produire une tranche de 350 μm. L'étape du sciage représente un élément déterminant dans le coût de la production des cellules photovoltaïques.

IV.2 Dopage du silicium Le dopage est une méthode permettant de réaliser la jonction P-N. Cela consiste à introduire des impuretés dans un cristal intrinsèque pour modifier ces propriétés électriques. Le semiconducteur dopé est alors appelé "semi-conducteur extrinsèque".

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 Dopage de type N Dopage de type N Le dopage de type N consiste à ajouter un atome de phosphore au sein de la structure cristalline du silicium. Le phosphore disposant de 5 électrons sur sa couche électronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre un électron :

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

Il y a 3 méthodes 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 énergie suffisante pour entrer dans la plaquette de silicium. Cette méthode est assez ancienne, et nécessite d'avoir une température uniforme dans le four. • LE CROISSANCE EPITAXIALE : Cette méthode utilise toujours un four, mais cette fois-ci les atomes du dopant sont déposés sur le silicium qui se présente sous la forme d'une plaquette. On a ainsi un dépôt en surface, et non pas une insertion comme pour la méthode de dopage par diffusion. La température du four doit avoisiner les 1 200 °C. • LE BOMBARDEMENT IONIQUE : Une source (appelé faisceau ionique énergétique) produit des ions, qui sont ensuite accélérés, et par le biais d'un contrôle très précis, ceux-ci vont alors se positionner sur la plaquette. L'avantage de ce principe est que l'opération se déroule à température ambiante. Le défaut de cette technique est qu'elle peut provoquer des dommages au silicium induisant un réarrangement indésirable de sa structure cristalline, exigeant ainsi une recristallisation subséquente. Dans le processus de fabrication d'une cellule photovoltaïque, les wafers, obtenus par sciage des lingots de silicium purifié, subiront soit un dopage de type N soit un dopage de type P. La suite du procédé est d'associer un wafer dopé N avec un wafer type P :

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IV.3 Fabrication des modules PV Un module photovoltaïque consiste à regrouper des cellules photovoltaïques en série ou en parallèle afin de permettre leur utilisation à des tensions et courants pratiques tout en assurant leur isolation électrique et leur protection contre les facteurs extérieurs tels que l'humidité, la pluie, la neige, la poussière, la corrosion ou les chocs mécaniques. Le procédé de fabrication s'appelle aussi l'encapsulation. Un module photovoltaïque est, par définition, le plus petit ensemble de cellules solaires photovoltaïques interconnectées complètement protégé contre l'environnement :

Dans la fabrication d'un module photovoltaïque: L’encapsulation a pour but de regrouper les cellules en série ou en parallèle afin de permettre leur utilisation à des tensions et des courants pratiques tout en assurant leur isolation électrique et leur protection contre les facteurs extérieurs. Cette protection doit permettre une durée de vie des modules photovoltaïques supérieure à 20 ans. En pratique, l'encapsulation consiste à la mise en sandwich de l'ensemble constitué par les cellules et le matériau encapsulant (EVA) entre deux plaques de verre (procédé bi-verre) ou entre une plaque de verre et un ensemble constitué de couches minces de polymère (Tedlar, Myla) et d'aluminium (procédé mono-verre). Le verre: Il s'agit d'un verre trempé de 4 mm d'épaisseur. 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 générale, la transmission optique du verre d'un module photovoltaïque est de l'ordre de 95 % dans la gamme utile du spectre solaire (380 nm à 1 200 nm). La face extérieure du verre, traité à l'acide fluosilicique (H2SiF6), est recouverte de nano pores qui piègent la lumière incidente et réduisent la réflexion en surface à une valeur inférieure à 8 % dans la gamme 380 nm à 1 200 nm. En face intérieure, le verre est micro-structuré, augmentant ainsi le rendement par éclairage diffus. Copolymère d'éthylène et de vinyle d'acétate. L'EVA: est une résine transparente enrobant le copolymère d'éthylène et de vinyle d'acétate. Cellules photovoltaïques. Chimiquement, l'EVA est formée de chaînes de copolymère d'éthylène et de vinyle d'acétate. L'EVA est utilisée car ce produit présente de grande propriétés adhésive, diélectrique, thermique et d'étanchéité (il dispose d'un très faible taux d'absorption d'eau). Bien entendu, l'EVA présente aussi une excellente transmission optique (supérieure à 90% selon le type d'EVA) dans la gamme utile du spectre solaire (380 nm à 1 200 nm). 11



Le mylar utilisé pour isoler électriquement les connexions de sortie de la face arrière des cellules, est un film polymère transparent. Chimiquement, il s'agit un composé de polyéthylène de téréphtalaque, de constante diélectrique très élevée lui permettant d'être un très bon isolant électrique. Le TEDLAR est un polymère fluoré. Le rôle majeur du TEDLAR, dans un module photovoltaïque, est la protection de surface. En effet, le TEDLAR résistent particulièrement bien aux agressions extérieures (UV, variations de température, atmosphères corrosives, ...), à l’abrasion ainsi qu’aux produits chimiques. Cadre en aluminium: se justifie par la haute résistance de celui-ci à l'humidité ainsi qu'aux chocs mécaniques. IL peut être anodisé. L'anodisation est un traitement de surface qui permet de protéger ou de décorer une pièce en aluminium par oxydation anodique (couche électriquement isolante de 5 à 50 micromètres). Elle octroie aux matériaux une meilleure résistance à l'usure, à la corrosion et à la chaleur.

 Sélection et assemblage des cellules photovoltaïques Toutes les cellules composant un module photovoltaïques doivent être identiques. Ainsi, les cellules arrivant dans une usine de production de modules photovoltaïques sont sélectionnées individuellement. Elles sont appariées en fonction de leurs propriétés électriques. Puis, les cellules photovoltaïques sont soudées deux à deux, les liaisons électriques entre les cellules :  Les cellules sont connectées entre elles par de fins rubans métalliques.  La connexion se fait du contact en face avant (-) au contact en face arrière (+).  Les rubans adhèrent par soudure à la cellule photovoltaïque grâce à une lamelle de cuivre étamé (cuivre + étain).

 Etapes de lamination des modules photovoltaïques Le processus de lamination consiste à chauffer les modules et en même temps à les plaquer pour qu’ils deviennent très fins et sous vide. Le laminateur dispose d'une chambre supérieure et d'une chambre inférieure. La température et la pression de chacune de ces chambres sont contrôlées grâce à une pompe à vide et des résistances chauffantes. Le module photovoltaïque, qui joue le rôle de laminât, se présente dans le laminateur entre les deux chambres. Le cycle de lamination débute par l'introduction de l'ensemble constitué de cellules et des matériaux encapsulant (verre, EVA, cellules, mylar, tedlar, aluminium), dans la chambre inférieure du laminateur où la température est maintenue constante à 100 °C. La chambre supérieure, dont la paroi du bas 12



constitue le diaphragme, est à ce moment sous une pression de 0.1 mmHG, soit quasiment sous vide. La lamination se fait en deux temps. Dans une première phase, on procède au pompage de l'air se trouvant à l'intérieur de la chambre inférieure contenant le laminât, et ce durant 5 minutes. Le niveau du vide atteint est alors de 0.1 mmHg, il sera maintenu durant les opérations de lumination et de polymérisation. Dans une deuxième phase, alors que la chambre supérieure maintenue sous vide à 0.1 mmHg durant ces 5 premières minutes, elle sera mise sous pression atmosphérique en 1 minute de temps. Cette étape est désignée sous le vocable "Presse time". A ce stade, l'action conjuguée de la pression exercée par le diaphragme et l'effet de l'aspiration conduit à chasser l'air résiduel se trouvant dans le laminât. Ceci marque la fin du cycle de lamination.

 Etape de polymérisation des modules photovoltaïques La polymérisation s'effectue à 156 °C pendant 15 minutes. Il s'agit d'une réaction de polymérisation de l'EVA. A l'issue de cette réaction chimique, tous les matériaux encapsulants se lient fortement et ce d'une manière irréversible, conduisant à l'obtention d'un ensemble compact. Après refroidissement, à 100 °C, la chambre inférieure est mise sous pression atmosphérique alors que celle du haut revient à 0.1 mmHg. La procédure de lamination et de polymérisation est résumée sur la figure suivante.

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Chapitre V : Caractéristiques des modules photovoltaïques V.1 Courbe caractéristique de cellule photovoltaïque Schéma équivalent de cellule photovoltaïque

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.

Courbe électrique courant-tension spécifique à chaque Type de cellule. 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 : 𝐏𝐦 FF= 𝐈𝐜𝐜.𝐕𝐜𝐨 14



− 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/m 2 , à la température de 25° C sous un spectre AM 1,5 (10) . − 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 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.

V.2 Rendement photovoltaïque V.2.1 Cellule photovoltaïque Le rendement énergétique ( η ) d’une cellule est défini par le rapport entre la puissance maximale (Pm) et la puissance du rayonnement solaire (puissance incidente Pi ) qui arrive sur la cellule photovoltaïque :

η =

𝑷𝒎 𝑷𝒊

=

𝑷𝒎 𝑬.𝑺

η=

𝐕𝐦.𝐈𝐦 𝑷𝒊

=

𝐅𝐅.𝐕𝐜𝐨.𝐈𝐜𝐜 𝑷𝒊

Avec : – η : rendement énergétique ; − E : éclairement (W/m 2) ; − S : surface active de la cellule (m 2) ; − Pm: puissance maximale mesurée dans les conditions de référence (STC : Standard Test Condition), c’est-à-dire sous l’ensoleillement de 1 000 W/m 2 , à la température de 25° C sous un spectre AM 1,5 . L’énergie électrique disponible aux bornes d’une cellule photovoltaïque dépend des caractéristiques du type de rayonnement : répartition spectrale (réponse spectrale), quantité d’énergie, température, surface, surface de la cellule et de ses caractéristiques dimensionnelles, forme de la cellule et conditions ambiantes de fonctionnement de la cellule (température extérieure, vitesse du vent, etc.). 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 %. Le tableau 1 indique le coefficient de performance des trois types de cellules les plus utilisées. 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 :

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– 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 (11). Le rendement d’une cellule dépend également de l’éclairement et de la température.

V.2.2 Influence de l’éclairement L’énergie électrique produite par une cellule dépend de l’éclairement qu’elle reçoit sur sa surface. La figure suivant représente la caractéristique courant-tension d’une cellule en fonction de l’éclairement, à une température et une vitesse de circulation de l’air ambiant constantes : Le courant est directement proportionnel au rayonnement, contrairement à la tension qui ne varie que très peu en fonction.

Caractéristique courant-tension d’une cellule en fonction De l’éclairement.

Recommandation : 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 : il est possible d’utiliser des panneaux à orientation et inclinaison fixes, ou des panneaux à inclinaison variable présentant un rendement bien meilleur.

Remarque : Il arrive qu’une cellule soit occultée (présence d’une feuille morte, ombre, etc.) : dans ces conditions, 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. En fonctionnant ainsi, un échauffement de la cellule (appelé hot spot) se produit : il peut provoquer des dégâts irréversibles (détérioration des contacts, de la couche antirefl et, etc.) visibles à l’œil nu (apparition d’une couleur brune au niveau de la cellule). Pour remédier à ce phénomène, il suffit t de placer une diode by-pass (12) par série de 18 cellules dans la boîte de jonction en sortie du panneau.

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V.2.3 Influence de la température L’influence de la température est important et a des conséquences pour la conception des panneaux et des systèmes photovoltaïques. La température est un paramètre essentiel puisque les cellules sont exposées aux rayonnements solaires, susceptibles de les échauffer. De plus, 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).

Tc= Ta +

𝐄𝐦

𝟖𝟎𝟎

(TUC-20)

avec : – Tc : température de la cellule (°C) – Ta: température ambiante (°C) − Em: éclairement moyen (W/m2 ) − TUC : température d’utilisation de la cellule (°C). Le graphe de la figure 12 montre que la tension d’une cellule baisse fortement avec la température. Plus la température augmente et moins la cellule est performante. En revanche, le courant augmente légèrement en intensité : cette augmentation reste néanmoins négligeable au point de puissance maximale.

Caractéristique courant-tension d’une cellule en fonction de la température. Le comportement global de la cellule en température est une perte de 0,4 à 0,5 %/° C.

Recommandation : 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 et souvent les plus chauds. Sur des systèmes intégrés, le maintien de la ventilation devient plus délicat.

V.2.4 Association des cellules photovoltaïques Dans les conditions standards (essai STC), la puissance maximale pour une cellule au silicium de 10 cm 2 serait de l’ordre de 1,25 W. La cellule photovoltaïque élémentaire constitue donc un générateur électrique de très faible puissance, insuffisante pour la plupart des applications domestiques ou industrielles. Les générateurs photovoltaïques sont en fait réalisés par association, en série et/ou parallèle, d’un grand nombre de cellules élémentaires : ces groupements sont appelés modules. Les connexions en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant pour la même tension. Ainsi, pour atteindre une tension désirée, il suffit de connecter en série plusieurs cellules de même courant : c’est la notion d’appairage. L’appairage est très délicat à réaliser, en raison des caractéristiques différentes des cellules, du fait de la dispersion inévitable des constructions mais aussi d’un éclairement et d’une température non uniformes sur l’ensemble du réseau. 17



Pour un module au silicium cristallin utilisé pour une application en 12 V, il faut assembler en série 36 cellules (en 4 rangés de 9), valeur extrêmement courante concernant les panneaux Commercialisés. Les cellules assemblées sont ensuite protégées sous un condionnement conférant à l’ensemble une bonne résistance mécanique et une protection efficace aux agressions extérieures. Il s’agit de l’encapsulation : – en face avant : revêtement en verre ou en résine (matériaux pouvant supporter de grandes chaleurs et garantir des coefficients de transmission élevés) – en face arrière : revêtement en verre ou en plastique de type PVF (Tedlar). L’ensemble des cellules est noyé dans un matériau organique transparent, en général de la résine EVA (éthylène de vinyle d’acétate). Un joint latéral en silicone assure l’étanchéité de l’ensemble et les deux extrémités du module sont ramenées vers une boîte de connexion nécessaire au raccordement vers l’utilisation, le tout étant souvent serti d’un cadre de fixation. En pratique, un module photovoltaïque se caractérise simplement par sa puissance nominale (exprimée en watt crête Wc, selon les conditions de fonctionnement standard), qui dépend de sa surface et de l’ensoleillement incident. La tension délivrée par le module dépend du nombre de cellules connectées en série.

Chapitre VI : facteurs limitants le rendement En pratique, la conversion lumineuse en énergie électrique n’est pas totale. Différentes pertes viennent influencer le rendement d’une cellule. Ces pertes peuvent être classées en deux catégories : les pertes dues à la nature du matériau et les pertes dues à la technologie utilisée.

VI.1 Pertes engendrées par l’utilisation du silicium 

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Pertes par les photons de longueur d’onde supérieur au gap : tous les photons possédant une longueur d’onde supérieure a celle associée au gap du semi-conducteur (λ >λg) ne fournit pas assez d’énergie pour faire passer un électron de la bonde de valence à la bande de conduction. Son énergie sera perdue. Les mécanismes d’absorption assistée par phonons permettent néanmoins de repousser la limite inferieure de l’énergie correspondant au gap du matériau (1.052eV au milieu de 1.124eV dans le cas d’une absorption assistée par un phonon dans le silicium. Sous éclairement AM1.5, ces pertes sont évaluées à 23,5% dans le silicium. Pertes dues à l’énergie excédentaire des photons : les photons possédant une énergie supérieure au gap génèrent une seule paire électron-trou. L’excès d’énergie, supérieur à la largeur de la bande interdite, est dissipé sous forme de chaleur (thermalisation). Sous éclairement AM1.5, ces pertes sont évaluées à 33% de la puissance totale dans le cas du silicium. Facteur de forme FF : les équations courant-tension sont régies par les équations de Boltzmann sous la forme exponentielle (expo [qV/kT]). La courbe I(v) ne peut donc avoir une forme rectangulaire et, même dans le cas d’une cellule idéal, le facteur de forme ne peut dépasser 0.89. Ce terme dépond également de la qualité de la jonction p-n, de la résistance série et parallèle. Chute de tension en ouvert : cette tension est devrait correspondre à la tension du gap Eg/q Mais les meilleurs Vcc obtenues sont de l’ordre de niveau des contacts, à la jonction P-N… 18



VI.2 Les pertes technologiques 

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Les réflexions : l’indice de réfraction du silicium (n=4 à 650 nm) étant différent de l’air (n=1.5 à 650nm), à leurs interfaces vont se produire des réflexions qui limiteront le rendement de la cellule. Le coefficient de réflexion R peut être optimisé par la mise en œuvre de couche antireflet ainsi que de traitement de surfaces pour des réflexions multiples. Le taux d’ombrage : sur les cellules standard, les contacts métallique présents sur la face avant pour permettre la collection des porteurs, forment une partie opaque qui limite l’entée des photons dans la cellule .les dimensions des métallisations sont alors un compromis entre les pertes optique dues à couverture partielle de l’émetteur et les pertes de facteur de forme provoquées par la résistance série, liées à la taille des métallisations. Le rendement d’absorption : du fait de l’épaisseur limitée de la cellule, une partie des photons qui, bien qu’ayant l’énergie nécessaire, traversent l’épaisseur de la cellule sans être absorbés. Ce terme devient important quand la cellule est très fine (<100µm), et peut être minimisé en utilisant une couche réfléchissante sur la face arrière de la cellule (réflecteur arrière). Rendement de collecte : c’est le rapport entre le nombre de porteurs effectivement collectés et le nombre total de porteurs photogénés. En effet, certains porteurs se recombinent dans le volume ou à la surface avant leur collecte. Ce phénomène dépendant de la durée de la durée de voie 𝜏 des porteurs minoritaires (temps moyen entre la génération et la recombinaison d’un porteur minoritaire). Ces recombinaisons peuvent être réduites en mettant en œuvre différents traitement qui seront abordés plus loin dans ce rapport.

VI.3 Technologies pour la réduction des pertes Comme nous l’avons vu précédemment le fonctionnement des cellules photovoltaïques est basé sur trois mécanismes : l’absorption des photons, la conversion de l’énergie optique en énergie électrique et la collecte de cette énergie sur un circuit extérieur .chacun de ces mécanismes engendrent des pertes et la partie suivante présente les principaux composants utilisés a ce jour pour améliorer le rendement de la conversion. Ces composants sont utilisés dans de nombreuses structures de cellules et nous les présenterons sur la structure la plus commune : la cellule photovoltaïque avec contacts sur les deux faces.

VI.3.1 Passivation des faces avant et arrière : La surface des semi-conducteurs contient une densité importante de défauts (liaisons pendantes, impuretés, etc.) entrainant des pertes non négligeables liées à la recombinaison en surface. La passivation consiste à améliorer les qualités électroniques de la surface et du volume du matériau en neutralisant les effets de ses défauts électriques actifs. Diverses couches de passivation sont utilisées en photovoltaïque mais les principales sont l’oxyde thermique de silicium (𝑆𝑖𝑂2 ) et le nitrure de silicium hydrogéné (𝑆𝑖𝑁𝑥 : H).

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VI.3.2 Couche antireflet : Pour minimiser la réflexion de la lumière, une couche antireflet (CAR) est utilisée. Le principe d’action des couches antireflet est basé sur l’interférence des faisceaux lumineux dans les couches diélectriques minces. Si l’épaisseur de la couche diélectrique est égale à : 𝑑𝐶𝐴𝑅 =

2.𝑁+1 .𝜆 4.𝑛 𝐶𝐴𝑅

, N=0, 1, 2,3…..

D’autre part, un rayon d’incidence normale sera transmis dans la on obtient l’annulation des faisceaux réfléchis à l’interface air/CAR et CAR / semi-conducteur. Pour la cellule photovoltaïque à haut rendement, une double couche antireflet est utilisée (avec deux diélectriques différents). Différentes CAR sont utilisées en photovoltaïque : TiO2, SiO2, ZnS, MgF2, SiNx, etc., ….

VI.3.3 Texturation de la surface : L’insertion sur la figure I-8 présente le principe de réflexions multiples propre à la texturation. Le relief de la surface entraine une baisse de la réflexion en face avant : un rayon arrivant à incidence normale (par rapport au plan de la cellule) sur une pyramide sera réfléchi sur la face d’une pyramide adjacente, cette double réflexion sur les pyramides diminue le coefficient de réflexion totale, qui ne vaut plus R mais𝑅 2 . Cellule avec un angle de réfraction θ différent de 0° . Le trajet de ce rayon au sein du silicium 1 sera donc augmenté d’un facteur 𝑠𝑖𝑛𝜃 par rapport au cas d’une surface plane et perpendiculaire à l’éclairement, ce qui aura pour effet d’augmenter la part de photons absorbés pas le matériau. Pour finir, la texturation de la surface entraine un piégeage plus important de la lumière pénétrant dans la cellule. Sur la face arrière de la cellule, il existe un angle d’incidence critique 𝜃𝑐 à partir duquel le rayon est totalement réfléchi et prolonge son trajet au sein du semi-conducteur, augmentent là aussi l’absorption des photons. En appliquant la loi de Descartes on trouve que cet angle vaut 17° dans le cas du silicium dans l’air. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas des cellules de faible épaisseur et peut être renforcé par une texturation de la face arrière et/ou avant une couche antireflet sur cette même face. Différents procédés sont utilisés pour texturer la surface du silicium : attaques chimiques de la surface (KOH, NaOH, acides), texturation mécanique (laminage à froid sous un peigne dentelé, texturation laser.

VI.3.4 Contacts face avant et arrière : Les contacts métalliques à l’émetteur et au substrat servent à collecter le courant de porteurs photogénérés. Les contacts doivent être ohmiques, c’est-à-dire que la caractéristique I=f(V) du contact doit être linéaire .la résistance des contacts est un paramètre très important. La forte résistance des contacts augmente la résistance série de la cellule et baisse le facteur de forme et le rendement (15). Différents procédés sont utilisés pour réaliser les contacts .Dans le cadre des cellules photovoltaïques industrielles en silicium multi cristallin, les contacts sont généralement réalisés par sérigraphie. Pour les cellules photovoltaïques à haut rendement, la pulvérisation cathodique ou l’évaporation sous vide sont utilisées. 20



Chapitre VII : Avantages et inconvénients de la technologie photovoltaïque VII.1 Avantage : La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d’avantages D’abord, une haute fiabilité (elle ne comporte pas de pièce mobile) qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C’est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux. Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïque permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétique divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du Milliwatt au Mégawatt. Leurs couts des fonctionnements sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, personnel hautement spécialisé. Enfin, la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant, silencieux et n’entraine aucune perturbation du milieu, si c’est par l’occupation de l’espace pour l’installation de grandes dimensions.

VII.2 Inconvénient Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements d’un cout élevé. Le rendement réel de conversion d’un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28%). Les générateur photovoltaïque ne sont compétitifs par aux générateur Diesel que pour des faibles demande d’énergie en région isolée. Enfin, lorsque le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le cout de générateur photovoltaïque est accru. La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentespour autant que la batterie et les composants de régulations associés soient judicieusement choisis.

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Chapitre VIII : Domaines d’application VIII.1 Domaine spatial C’est de loin le secteur le plus ancien puisque les premières utilisations de cellules solaires pour des engins spatiaux (satellites, navettes…) remontent aux années soixante. Depuis lors, des recherches et développements nombreux ont été réalisés dans plusieurs domaines (militaire, public, etc.) pour accroitre les performances électriques tout en réduisant le poids des modules. Le spectre du rayonnement solaire étant différent en dehors de l’atmosphère. On utilise pour les cellules et les modules spatiaux d’autres matériaux plus sensibles dans les ultra-violets et plus résistants aux rayonnements et bombardements divers (UV, électrons, ions, oxygène atomique, micrométéorites…). (AsGa), le phosphure d’indium (InP) et le tellurure de cadmium (CdTe) sont les semi-conducteurs les plus prometteur pour réaliser ces objectifs.

VIII.2 Habitation isolée : L’approvisionnement en électricité dans les régions rurales isolée est un problème d’actualité, en particulier dans les pays en voie de développement. L’extension du réseau pour des demandes relativement faible et isolées n’est rentable pour les sociétés d’électricité. Bien que la solution des groupes électrogène (diesel) présente beaucoup d’inconvénients (peu fiables, autonomes, couts cachés pour le combustible, les réparations et l’entretien), ils ont souvent été choisis pour leur cout d’investissement modéré. En effet, le cout initial élevé d’un générateur photovoltaïque est l’obstacle majeur à son expansion sur ce type de marché, en particulier dans les pays en voie de développement ou les taux d’intérêt sont souvent très élevés. Les dizienes de milliers d’unités photovoltaïque autonomes (au silicium cristallin ou amorphe) installées de par le monde ont démontré leur compétitivité en ce qui concerne de multiple application de petite et moyenne puissance (inferieure à 100kW). De nombreuses organiques internationales d’aide aux pays en voie de développement ont choisi la technologie photovoltaïque comme utile de développement social et économique pour fournir des services d base à la population, tels que :  le pompage de l’eau pour la consommation du village ou pour l’irrigation.  La réfrigération pour la production de glace et la conservation de vaccins, sang, produit agricoles,….  L’éclairage (lampe portative, éclairage public, électrification villageoise,…).

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Conclusion L’énergie photovoltaïque contribue à la satisfaction les besoins du pays en énergie électrique en utilisant une source énergétique nationale quasiment gratuite et propre. Sa principale limitation réside en sa dépendance des régimes du soleil. L’énergie photovoltaïque reste donc une source d’économie de combustible qui ne garantit pas la puissance demandée. Les coûts d’investissement restent relativement élevés en comparaison avec ceux des centrales classiques. Cependant, les études prévoient une croissance du marché et par conséquent une diminution des coûts. De plus l’énergie photovoltaïque est une énergie propre qui contribue à la préservation de l’environnement.

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mémoire de PFE S6

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