Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La production d'électricité photovoltaïque est fonction de la source primaire d'énergie, du dispositif de conversion, ainsi que des autres éléments constituant la cellule photovoltaïque. Cette cellule est la brique de base des modules et panneaux solaires constituant la partie production d'énergie du système photovoltaïque. Mais il faut aussi replacer la cellule dans un module, puis dans un panneau, et intégrer le tout dans un système complet de production d'énergie. Pour conclure, le marché du secteur photovoltaïque est présenté avec ses principales caractéristiques.
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The production of photovoltaic electricity depends on the primary source of energy, the conversion device as well as on the other components of the solar cell. This cell is the building block of solar modules and panels which are responsible for the production of energy in the photovoltaic systems. This cell must also be placed into a module and then into a panel and all this must be integrated into a complete system of energy production. to conclude, the market of the photovoltaic sector is presented along with its principal characteristics.
Auteur(s)
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Pierre-Eymeric JANOLIN : Maître de conférences - Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides UMR CNRS-École Centrale Paris
INTRODUCTION
La révolution industrielle a changé le monde ; non seulement l'économie mais aussi nos vies de tous les jours. L'utilisation croissante d'énergies alternatives est en train de changer le monde de la même façon. Qu'on l'appelle la révolution verte, la transition écologique, le recours aux sources alternatives d'énergie ou le sens de l'Histoire ne change pas le fait que nous sommes entrés dans un nouveau monde.
La consommation d'énergie a augmenté plus vite que la population lors des quarante dernières années et cette progression devrait s'accélérer durant la première moitié du XXI e siècle en raison de la croissance en Chine et en Inde. Deux solutions existent : la modération de la consommation et l'utilisation de nouvelles sources d'énergie.
Ces sources alternatives d'énergie doivent toutefois satisfaire à un nouvel impératif : ne pas contribuer au réchauffement climatique. Parmi ces énergies, on distingue généralement le nucléaire des autres sources d'énergie : éolienne, biomasse, hydraulique, solaire (thermique et photovoltaïque) et géothermique.
L'énergie photovoltaïque est une de ces sources alternatives d'énergie et, malgré sa contribution jusqu'à maintenant modeste, elle est appelée à devenir une des sources majeures d'énergie du futur. L'énergie photovoltaïque a déjà à son actif de grandes réussites. En effet, elle a apporté l'énergie nécessaire à la conquête spatiale ; sans énergie photovoltaïque, pas de station spatiale internationale, pas de Rover Spirit ou Opportunity sur Mars.
Mais le secteur de l'énergie photovoltaïque est également une activité de haute technologie, changeant rapidement dans un marché à forte croissance et qui requiert, en plus de fortes compétences scientifiques et techniques, de prendre en compte les aspects législatifs, politiques et sociétaux. Il représente donc un fantastique champ d'opportunité pour les ingénieurs du XXI e siècle.
Afin de pouvoir contribuer de façon significative à son développement, il est nécessaire de partir de la source de cette énergie, le Soleil, et de considérer les facteurs déterminant le potentiel au sol correspondant. La première partie de cet article y sera consacrée. Cette énergie doit ensuite être convertie en électricité au moyen d'une cellule photovoltaïque.
La deuxième partie sera donc consacrée à l'étude de la cellule photovoltaïque, cœur du dispositif de conversion. Afin de comprendre le fonctionnement et les paramètres régissant les performances de cette conversion, on débutera par un rappel de la physique des semi-conducteurs. On abordera ensuite l'absorption de la lumière par un semi-conducteur et la conversion photovoltaïque assurée par une jonction pn. Des informations concernant les matériaux constituant ces jonctions pn dans les dispositifs photovoltaïques seront ensuite données ; sur le silicium, bien sûr, mais aussi sur des matériaux moins couramment utilisés, sous forme massive comme sous forme de couches minces. Cette deuxième partie finira sur les technologies relatives aux différents éléments qui constituent, en plus de la jonction pn, une cellule photovoltaïque.
La troisième partie sera consacrée aux changements d'échelles puisque l'on abordera les thématiques reliées à l'intégration de cellules au sein d'un module puis d'un panneau ainsi que celles reliées à l'intégration de panneaux à un système complet.
La dernière partie présentera un rapide panorama du marché du secteur photovoltaïque ainsi que ses principales caractéristiques.
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MOTS-CLÉS
semi-conducteur cellules photovoltaïques jonctions pn conversion photovoltaïque Energies renouvelables électricité photovoltaïque
KEYWORDS
semiconductor | solar cells | pn junctions | photovoltaic conversion | renewable energy | photovoltaïc electricity
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Présentation
De la cellule au panneau2. Anatomie d'une cellule photovoltaïque
Une fois que ce rayonnement a atteint le sol, il faut le convertir en électricité. Cela est réalisé au sein d'une cellule photovoltaïque.
Les cellules photovoltaïques peuvent être à base de matériaux inorganiques ou organiques. Nous nous intéresserons ici uniquement aux cellules inorganiques à base de semi-conducteurs.
Schématiquement, les cellules photovoltaïques à base de semi-conducteurs se composent d'une jonction pn qui est le siège de la conversion de la lumière en électricité et de contacts électriques permettant de récupérer les charges générées. Ces cellules sont recouvertes d'une couche de protection faisant office de couche antireflet et déposées sur un substrat à l'origine des propriétés mécaniques de la cellule. Cette description sera précisée au paragraphe 2.1.2.
2.1 Les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la résistivité décroît avec la température, allant de 10+20 Ω · cm à basse température à 10–10 Ω · cm à haute température alors que la résistivité des métaux varie de 10–10 à 10+3 Ω · cm et celle des isolants est supérieure à 10+3 Ω · cm.
À température ambiante, la conductivité des semi-conducteurs est entre 10–10 et 104 (Ω · cm)–1. La majorité de ces matériaux présentent une structure cristalline sphalérite, dite aussi zinc-blende (structure du diamant figure 2) avec un paramètre de maille de l'ordre de 0,6 nm.
HAUT DE PAGE2.1.1 Conduction dans les semi-conducteurs
2.1.1.1 Origine de la bande d'énergie interdite
Les semi-conducteurs...
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Anatomie d'une cellule photovoltaïque
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WEINERT (H.) et al - * - Phys. Stat. Sol. (b), 81, K59 (1977).
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(2) - NEUMANN (H.) et al - * - Phys. Stat. Sol. (b), 108, p. 483 (1981).
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(4) - ADACHI (S.) - Properties of semiconductors alloys : group-IV, III-V and II-VI semiconductors. - Wiley éd. (2009).
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(5) - STREETMAN (B.G.) - Solid state electronic devices. - Prentice-Hall (1980).
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(6) - WU (X.) et al - * - Proc. 26th IEEE PV Spec. Conf., p. 307 (1997).
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(7) - CHU, MAJUMDAR - * - Nature,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Département pour l'énergie des États-Unis http://www.eere.energy.gov/basics/renewable_energy/solar.html
The Photovoltaic education network http://www.pveducation.org/
Dépendence en température des mobilités des porteurs de charge https://www.colorado.edu/ecee/
Calendrier des foires et expositions consacrées au photovoltaïque http://www.foiresinfo.fr/Foires-de-photovoltaque-Y285-S1.html
HAUT DE PAGE
Salon virtuel dédié au photovoltaïque
European Photovoltaic Solar Energy Conference http://www.photovoltaic-conference.com/
Salon des énergies renouvelables (ENR) http://www.bepositive-events.com/enr
HAUT DE PAGE
NF C57-310 AFNOR (1988), Transformation directe de l'énergie solaire en énergie électrique – Système photovoltaïque de pompage – Caractéristiques...
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