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Etude de la caractéristique j-V de la cellule industrielle (silicium polycristallin)

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Hypothèses

La cellule industrielle possède une jonction PN et est équivalente à une diode ajouté à un générateur. La caractéristique courant-tension de la jonction PN est donc celle d'une diode. Voici une caractéristique standard d'une jonction PN simple à base de Silicium:

Convention pour les cellules photovoltaïque : le courant est inversé par rapport à celui d’une diode normale pour éviter d’avoir un signe négatif.

La caractéristique u-i est défini par les grandeurs physiques suivantes:

Nous remarquons que, juste comme la courbe courant-tension de la diode, la caractéristique u-i de la cellule photovoltaïque n'est pas linéaire. En effet, elle possède une tension de seuil. La tension de seuil d'une diode peut être comparé à l'élasticité d'un ballon. Pour gonfler le ballon il faut vaincre son élasticité. De même, il faut aller au-délà de la tension de seuil pour que la diode devienne passante.

La tension de seuil de la dieode est équivalente au potentiel de jonction de la jonction PN.

Utilisation de deux méthodes

Nous avons utilisé 2 méthodes différentes pour obtenir la caractéristique j-V de la cellule industrielle:

  1. Dans la première méthode nous avons fait varier la tension délivrée par le générateur. Ensuite nous avons mesuré l'intensité à l'aide d'un multimètre branché en série dans le circuit. On le règle sur le mode μA .
  2. Dans la deuxième méthode, au lieu de modifier la tension à l'aide d'un générateur nous l'avons modifié à l'aide d'une résistance variable branché en série.

Les deux méthodes sont équivalente, mais la deuxième est légerement plus précis, car l'on peut faire varier la tension par plus petit pas.

Etude sous l'éclairement d'une lampe de 5000 lux

Nous avons répété l'étude de la caractéristique j-V sous plusieurs éclairement différents. Voici la courbe obtenu avec une lampe qui délivre 5000 lux.

Voici les caractéristiques que l'on peut déduire de cette courbe: (Le point MPP correspond au point de puissance (P=UI) maximale.)

Etude sous l'éclairement du soleil

Voici la courbe obtenu avec le soleil, soit 67.000 lux:

Voici les caractéristiques que l'on peut déduire de cette courbe:

On voit que la tension à vide est un peu plus élévée quand la cellule est éclairée par le 67000 lux, et également que le courant court-circuit est beaucoup plus élevé quand on l'éclaire avec plus de lux.

On remarque aussi que le point de puissance maximale MPP se trouve environ à la même abscisse V(MPP) dans les deux cas, mais que le courant délivré à ce point et, in fine, la puissance produite est beaucoup plus élevée quand la cellule est éclairée par le soleil.

Facteur de forme

Les cellules photovoltaïques sont caractérisés par leur facteur de forme, qui donne la qualité de la cellule. Le facteur de forme est donné par la formule suivante:

Les facteur de formes typiques varient entre 50% et 82% et les cellules silicium cristallin donnent les meilleurs facteurs de formes.

La formule du facteur de forme est la suivante:

Le facteur de forme est le rapport entre la puissance maximale obtenue et la puissance maximale théorique attendue. Concretement c'est le rapport entre 2 aires carrées que l'on peut retrouver sur la courbe couran-tension. L'aire du numérateur est un carré tracé à partir du point de puissance maximale et l'aire au denominateur est un carré tracé à partir du point de la tension à vide et le courant court-circuit.

Voici nos résultats pour le facteur de forme de la cellule industrielle:

Voici la formule des incertitudes du facteur de forme:

Le facteur de forme de notre cellule se trouve dans la tranche basse de l’encadrement typique des cellules, ce qui signifie que sa qualité est assez faible. Le facteur de forme est directement relié aux pertes de la diode et aux valeurs des résistance Rsh et Rs dans le schéma électrique de la partie 2.1.3. Pour augmenter l’efficacité et la puissance maximale de la cellule photovoltaïque, il faut augmenter les valeurs de ces résistances. Ainsi, le facteur de forme augmentera également.

La valeur de notre facteur de forme est cohérent avec notre faible rendement. En effet le facteur de forme est directement proportionnel au rendement de la cellule.

Etude dans l'obscurité

Nous avons également étudié la caractéristique j-V de la cellule industrielle sans lui envoyer de lumière. Voici la courbe obtenue:

Bibliographie: