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wiki:projets:3p024:projet4:cellules_photovoltaique [2018/02/03 14:05]
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wiki:projets:3p024:projet4:cellules_photovoltaique [2018/03/09 11:05] (Version actuelle)
diego |
| Arouna Darga - Professeur associé en ingénierie électrique à Sorbonne Université (UPMC) et chercheur à l'IPVF et au GeePs. Chercheur expérimenté dans les matériaux semi-conducteurs, leurs caractérisations et leurs modélisations pour le photovoltaïque (PV), applications optoélectroniques et de stockage. | Arouna Darga est un professeur associé en ingénierie électrique à Sorbonne Université (UPMC) et chercheur à l'IPVF et au GeePs. Ce chercheur expérimenté dans les matériaux semi-conducteurs, leurs caractérisations et leurs modélisations pour le photovoltaïque (PV),les applications optoélectroniques et de stockage a accepté de nous rencontrer. |
| M.DARGA s'est montré disponible pour notre projet et il nous a rapidement accueilli dans son bureau à Polytech (batiment Esclangon, Paris VI). Il a pu répondre à nos questions et nous expliqué les principales possibilités pour fabriquer une cellules photovoltaïque. Les principales choses à savoir sur les matériaux qui composent une cellule photovoltaïque sont les suivantes : | M.DARGA s'est montré disponible pour notre projet et il nous a rapidement accueilli dans son bureau à Polytech (batiment Esclangon, Paris VI). Il a pu répondre à nos questions et nous expliqué les principales possibilités pour fabriquer une cellules photovoltaïque. Les principales choses à savoir sur les matériaux qui composent une cellule photovoltaïque sont les suivantes : |
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| Tout d'abord, un module photovoltaique est capable de transformer directement de l'énergie portée par la lumière en énergie électrique grâce à l'effet photoélectrique. Le principe de l'effet photoélectrique a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel et son fils Edmond Becquerel qui a noté qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à une tension électrique spontanée quand elle était éclairée. M.DARGA nous conseille de lire le livre de Becquerel pour comprendre l'effet photoélectrique et les premières traces de sa mise en évidence. Réf: __La Lumière : ses causes et ses effets__. T.1 Sources de lumière [Texte imprimé] / par Edmond Becquerel. Cet ouvrage offre de bases solides pour la compréhension physique de l'effet photoélectrique. | Tout d'abord, un module photovoltaïque est capable de transformer directement de l'énergie portée par la lumière en énergie électrique grâce à l'effet photoélectrique. Le principe de l'effet photoélectrique a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel et son fils Edmond Becquerel qui ont notés qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à une tension électrique spontanée quand elle était éclairée. M.DARGA nous conseille de lire le livre de Becquerel pour comprendre l'effet photoélectrique et les premières traces de sa mise en évidence. Réf: __La Lumière : ses causes et ses effets__. T.1 Sources de lumière [Texte imprimé] / par Edmond Becquerel. Cet ouvrage offre de bases solides pour la compréhension physique de l'effet photoélectrique. |
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| D'autre part,la majorité des cellules photovoltaïques utilisent du silicium avec une jonction d'interface entre le Si dopé P et le Si dopé N permettant le mouvement de charges. On l'obtient par réduction à partir de silice. Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999 %. Un tel silicium est vendu sous forme de fines plaques d'épaisseur variables (en général 200 micromètres) qui sont appelées waffers. Le waffer est ensuite dopés avec des éléments chimiques le permettant (la plupart du temps :P, As, Sb ou B) pour obtenir silicium semi-conducteur de type P ou N Après un traitement pour enrichir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques. | D'autre part,la majorité des cellules photovoltaïques utilisent du silicium avec une jonction d'interface entre le Si dopé P et le Si dopé N permettant le transfert de charges. Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999 %. Un tel silicium est vendu sous forme de fines plaques d'épaisseur variables (en général 200 micromètres) qui sont appelées wafers. Le wafer est ensuite dopés avec des éléments chimiques (P, As, Sb ou B) pour obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N. Enfin, les wafers sont métallisés : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques (la plupart du temps en aluminium). Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques. |
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| Photo Waffer | Photo de waffers |
| | {{ :wiki:projets:3p024:projet4:waffer.jpg?400 |}} |
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| Les électrodes sont majoritairements en aluminium pour récupérer le courant créer par les charges. | Il existe différents types de cellules : |
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| Classement des matériaux | == 1.Silicium monocristallin == |
| : - cristallin | |
| polycristallin | |
| -couche minces | |
| On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98 % seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999 %, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium. Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section ronde ou carrée. On obtient de fines plaques fines plaques mises au carré (si nécessaire) de 200 micromètres d'épaisseur qui sont appelées « wafers ». Après un traitement pour enrichir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques. | |
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| La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner environ deux à trois ans7 suivant sa technique de fabrication pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour énergétique du module). Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules sont décrits dans les trois paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellules actuellement à l'étude, mais leur utilisation est minoritaire (part de marché record de 16 % en 20098). | {{:wiki:projets:3p024:capture_d_e_cran_2018-03-09_a_11.46.18.png?200|Silicium monocristallin}} |
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| Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour réduire les coûts de fabrication et de recyclage des cellules photovoltaïques. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pas baissé autant qu'espéré. L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix. | Le procédé de fabrication est précis et coûteux. Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches (wafers) qui donneront les cellules. |
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| Silicium amorphe[modifier | modifier le code] | * Avantage : un bon rendement (16 à 24 %) - un nombre de fabricants élevé |
| Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôts sous vide, à partir de plusieurs gaz, une des techniques les plus utilisées étant la PECVD. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ». | * Inconvénients : un coût élevé - un rendement plus faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus - baisse du rendement quand la température augmente. |
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| Elle a comme avantages de fonctionner avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel de 20 à 3 000 lux) ; d'être un peu moins chère que les autres techniques, et d'être intégrée sur supports souples ou rigides. | == 2.Silicium polycristallin == |
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| | {{:wiki:projets:3p024:capture_d_e_cran_2018-03-09_a_11.46.37.png?200|Silicium polycristallin}} |
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| Elle a cependant pour inconvénients : | Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme. On distingue des motifs créés par les différents cristaux. |
| | * Avantages : un bon rendement (14 à 18 %; un peu moins bon que le monocristallin) - moins cher à produire que le monocristallin |
| | * Inconvénients : un rendement faible sous un faible éclairement ou soleil diffus. |
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| un rendement faible en plein soleil, de 5 à 7 %9 ; | == 3.Silicium amorphe (ou couches minces) == |
| une nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m² plus faible, environ 60 Wc/m2)10 ; | |
| Une performances qui diminuent avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3-6 mois), pour se stabiliser ensuite (-10 à -20 % selon la structure de la jonction).[réf. nécessaire],11,12 | {{:wiki:projets:3p024:capture_d_e_cran_2018-03-09_a_11.48.02.png?200|Silicium amorphe}} |
| Silicium monocristallin[modifier | modifier le code] | |
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| Cellule photovoltaïque à base de silicium monocristallin. | Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôts sous vide, à partir de plusieurs gaz, une des techniques les plus utilisées étant la PECVD ( dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma). On vaporise plusieurs de petites couches de silicum de quelques microns chacune jusqu'à créer une cellule entière. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ». |
| | * Avantages :un fonctionnement avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel) - moins chère que les autres techniques - intégrée sur supports souples ou rigides. Dépôt à basse température ( 100 c°-300 c°) sur de grandes surfaces (4m x 4m). |
| | * Inconvénients :un rendement faible en plein soleil (5 à 7%) - nécessité de couvrir des surfaces plus importants que lors de l’utilisation de silicium cristallin - une performances qui diminuent avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3-6 mois), pour se stabiliser ensuite (-10 à -20 % selon la structure de la jonction) |
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| Le toit, le capot et de grandes parties de la coque extérieure du corps du Sion sont équipés de cellules de silicium 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 fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme. | |
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| Elle a comme avantage un bon rendement, de 16 à 24 % (en 2015) (~150 Wc/m2)10,9,13,14 ; et un nombre de fabricants élevé. Cependant, elle a un coût élevé, un rendement plus faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus15, et baisse du rendement quand la température augmente. | |
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| Silicium polycristallin[modifier | modifier le code] | == 4.Couches organiques == |
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| Cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin. | {{:wiki:projets:3p024:capture_d_e_cran_2018-03-09_a_11.55.51.png?200|Cellule à colorant}} |
| Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. | |
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| Elle a comme avantages de : | Il est également possible de convertir l'énergie solaire en énergie électrique grâce à un procédé proche de la photo-synthèse. Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules photovoltaïques dont au moins la couche active est constituée de molécules organiques. Par exemple, pour la cellule de ce type que nous fabriquons, la couche active est composée de molécules d'un colorant naturel présent dans la framboise. |
| | * Avantages : un rendement à minima de 15 % / un fonctionnement avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel) |
| | * Inconvénients : faible courant délivrée / durée de vie limitée par le temps et l'éclairement |
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| cellule carréee permettant un meilleur foisonnement dans un module ; | |
| bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m2 (voire plus)10, mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin ; rendement de 14 à 18 % 13,14 ; et lingot moins cher à produire que le monocristallin. Cependant, elle a un rendement faible sous un faible éclairement ou soleil diffus. | |
| Polycristallin (ou multicristallin ?). Le terme « silicium multicristallin » est utilisé par la CEI (réf. IEC TS 61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme polycristallin est utilisé pour les couches déposées sur un substrat (petits grains). | |
| Le rendement varie en fonction de mla manière parlaquelle sont extraites les charges, | |
| Plus la surface de récupération des charges est grandes plus les pertes sont importantes | |
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| - Couches organise | Remarques : Le rendement varie également en fonction de la manière par laquelle sont extraites les charges. |
| | Plus la surface de récupération des charges est grande, plus les pertes sont importantes. |
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