Cellules photovoltaïques : qu’est-ce que c’est et comment fonctionnent-elles
Les cellules photovoltaïques sont l’élément de base pour la production d’électricité. Découvrez-en les caractéristiques et le fonctionnent
Une installation photovoltaïque est caractérisée par un ensemble de panneaux solaires, mis en série ou en parallèle ; les cellules photovoltaïques sont à la base des panneaux.
Découvrons ensemble de quoi parlons-nous et comment fonctionnent les éléments de base d’une installation photovoltaïque.
La conception d’une installation photovoltaïque n’est pas à sous-évaluer, c’est une opération à effectuer avec beaucoup de précision et d’attention. Pour éviter de commettre des erreurs qui pourraient vous coûter cher après la réalisation de l’installation, nous vous conseillons de vous fier à un logiciel efficace de conception photovoltaïque pour concevoir des installations de manière sûre et guidée.
Définition de cellules photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques sont l’élément de base dans la production d’électricité par l’énergie solaire. Les cellules peuvent être constituées de divers matériaux ; le semi-conducteur le plus utilisé et le plus performant est le silicium.
Le silicium a une caractéristique importante : il suffit d’une quantité minimale d’énergie pour que les électrons de valence puissent être exploités pour générer un courant électrique.
Pour exploiter le passage des électrons de la bande de valence à la bande de conduction, on applique le dopage, le phénomène par lequel on insère des impuretés à l’intérieur du semi-conducteur : du bore pour la charge négative et du phosphore pour la charge positive.
Dopage du silicium tétravalent
Après solidification, ces systèmes sont disposés l’un près de l’autre par une jonction neutre, partie positive avec la partie négative, et dans le point de connexion la charge est nulle. Ce mécanisme crée un système chargé positivement d’une part et négativement d’autre part, obtenant une pile.
Types de cellules photovoltaïques
Les cellules solaires varient en fonction du cristal qui les caractérisent :
- cellules monocristallines ;
- cellules polycristallines ;
- cellules amorphes.
Types de cellules photovoltaïques
Cellules photovoltaïques monocristallines
Les cellules monocristallines sont constituées d’un seul cristal, orienté dans la même direction. Cette caractéristique permet d’exploiter au mieux l’énergie solaire que la cellule parvient à capter. La coloration des cellules est généralement noire.
Le système adopté pour produire les cellules monocristallines est le système Czochralski. Il s’agit d’un processus dans lequel une graine de cristal est insérée dans un fuseau de silicium, à l’intérieur duquel la graine tourne verticalement dans le sens antihoraire et, en s’immergeant très lentement, fait en sorte que le fuseau lui-même puisse cristalliser de manière ordonnée sur la graine qui est en train de s’immerger.
Cellules photovoltaïques monocristallines
À la fin du processus, tous les cristaux sont orientés de manière homogène afin de matérialiser un seul macro cristal et de donner naissance à un lingot de silicium.
Il s’agit de la structure de base ; en effet, ce cristal peut ensuite être dopé positivement ou négativement avec du Bore ou du Phosphore.
Le lingot obtenu doit être coupé en tranches très fines de l’épaisseur de quelques centaines de micromètres, soit un millième de millimètre, valeur fondamentale à considérer, car plus l’épaisseur est petite, plus l’efficacité de la cellule est grande.
Lingot de silicium monocristallin
Une fois les plaquettes réalisées, positives ou négatives, elles seront placées sur le plan, donnant naissance à la cellule photovoltaïque.
Cellules photovoltaïques polycristallines
Les cellules polycristallines sont obtenues à partir des déchets de l’industrie électronique ; elles sont formées de plusieurs cristaux et leur coloration typique est celle du bleu.
Cellules polycristallines
Dans ce cas, le refroidissement se fait dans un bain thermostatique, de manière unidirectionnelle d’une extrémité à l’autre, à travers un gradient technique. Le processus se déroule lentement, mais plus rapidement que la méthode des cellules monocristallines.
La rapidité de réalisation présente des avantages énergétiques et économiques : le lingot réalisé a un coût de production plus bas, mais l’orientation du cristal est plus désordonnée et ne permet pas d’exploiter au maximum l’énergie solaire incidente.
Le dernier processus implique le dépôt de filaments métalliques pour recueillir les électrons sur la partie chargée négativement, à partir de laquelle les différents modules seront créés.
Détail de cellule polycristalline
Cellules photovoltaïques amorphes
Les cellules photovoltaïques amorphes présentent une structure plus chaotique que le silicium qui, dans cette configuration, n’a plus une forme cristalline. La structure du silicium amorphe peut être utilisée pour la réalisation du film mince, c’est-à-dire pour la réalisation d’éléments de taille très fine, adaptés à des surfaces qui ne sont pas parfaitement planes.
Ils sont employés dans le domaine de l’intégration architecturale, de l’ameublement urbain ou d’éléments structurels de bâtiments.
Le processus de création de la cellule amorphe est très simple : sur un substrat rigide (verre ou métal) sont déposés avec des technologies appropriées (pulvérisation ou évaporation) plusieurs couches de matériau, deux de ces couches (les plus externes) deviennent des électrodes de conduction, tandis que la couche interne devient jonction de la cellule photovoltaïque.
Dans ce processus, les technologies principalement utilisées sont la technologie de triple jonction et la technologie cadmium-telluride/cadmium-sulfide (CTS).
Cellule photovoltaïque amorphe
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Pour rendre une cellule photovoltaïque productive énergétiquement, il est nécessaire de la connecter à deux instruments de mesure, à savoir l’ampèremètre, qui mesure le courant électrique et le voltmètre, qui mesure la tension.
Dans un circuit électrique, les deux instruments sont mis en parallèle pour éviter que l’ampèremètre ne mesure la résistance électrique présente à l’intérieur du voltmètre et pour assurer la mesure de la performance de la cellule indépendamment des systèmes externes.
À l’intérieur du circuit, une charge électrique est également placée qui affecte la performance de la cellule : en fonction de la charge, l’intensité et la tension du courant électrique produit varient.
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
En fonction de la charge introduite, il est également possible de faire la distinction entre circuit fermé et circuit ouvert. Ces deux conditions sont associées à deux valeurs de référence qui servent à comprendre les performances de la cellule.
Pour le circuit ouvert, un courant nul est mesuré dans l’ampèremètre, car il n’y a pas de contact électrique, tandis que la tension présentera la valeur maximale que la cellule peut produire. Cette valeur est appelée tension de circuit ouvert (Voc).
Dans le circuit fermé, on a la charge minimale et le courant est maximal, étant inversement proportionnel à la charge électrique. Le courant maximal qui peut être produit dans ces cas est appelé intensité de courant en circuit fermé (ISC) ; à ce courant est associée une tension nulle.
En reprenant ces valeurs sur un diagramme appelé « COURBE V-I », courbe caractéristique d’une cellule photovoltaïque ou courbe voltampérométrique, il est possible de comprendre l’efficacité d’une cellule photovoltaïque et donc d’un panneau solaire, à travers 4 paramètres fondamentaux :
- intensité de crête;
- tension de crête;
- puissance de crête;
- facteur de remplissage en anglais fill factor.
Plus précisément, on dispose sur les abscisses les valeurs de tension et sur les ordonnées les valeurs d’intensité électrique.
Facteurs discriminants d’une cellule photovoltaïque
Fonctionnement des cellules en fonction des dispositions
Les cellules photovoltaïques sont des diodes et se comportent comme des piles. Elles peuvent être connectées en série ou en parallèle. La connexion en série, obtenue en reliant le côté positif d’une cellule au négatif d’une autre cellule, génère une double tension (somme des deux), tandis que l’intensité électrique reste constante.
Il en va de même pour la courbe ampérométrique : en connectant les cellules en série, la courbe présente une augmentation des abscisses (tension).
Pour varier l’intensité du courant, il est nécessaire de connecter les cellules en parallèle ; de cette façon, en connectant les électrodes positives aux électrodes positives et les électrodes négatives à celles négatives, on obtient une tension constante, tandis que l’intensité du courant augmente et que la courbe ampérométrique se déplace vers le haut.
Les cellules photovoltaïques sont également affectées par la température, ce qui peut compromettre leurs performances. Plus précisément, si la température atteint certaines valeurs, il y a une brusque baisse de tension. Des températures élevées peuvent compromettre l’efficacité des liaisons et diminuer les performances.
Même en cas de variation du rayonnement solaire incident, il y a une variation de courbe. Plus précisément, lorsque le rayonnement solaire incident diminue, l’intensité électrique diminue de manière significative et la courbe tend à s’écraser, tandis que les valeurs de tension ne changent pas beaucoup.
Par conséquent, dans les analyses antérieures à l’installation de panneaux photovoltaïques, il est essentiel de se référer aux données climatiques concrètes obtenues à partir d’ atlas solaires ou de mesures sur le terrain, éventuellement en utilisant un logiciel de conception photovoltaïque spécifique qui vous fournit les données réelles de rayonnement solaire tirées des principales bases de données climatiques de référence.
Cellules photovoltaïques en panneaux photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques se connectent en modules, donnant naissance à des panneaux photovoltaïques, qui, à leur tour, se connectent entre eux en constituant l’installation photovoltaïque. Dans une telle connexion, les panneaux peuvent être disposés en différentes chaînes et modules et, selon la façon dont ils sont connectés entre eux, peuvent augmenter en intensité ou en tension.
Cellules photovoltaïques : configuration 2 chaînes de 3 modules
Cellules photovoltaïques : configuration 3 chaînes de 2 modules
Une fois que la puissance à installer a été établie, on peut décider de la produire avec un nombre variable de panneaux. Le choix de la disposition et de la puissance peut être déterminé en fonction de la valeur du rayonnement solaire du lieu et de l’exposition du panneau.
Une fois de plus, un logiciel de conception photovoltaïque est utile et en mesure de vous aider à choisir le nombre de modules correct en fonction des critères de conception définis pour maximiser la production annuelle ou la puissance maximale.
En outre, un tel logiciel dispose de bibliothèques spécifiques de modules, d’onduleurs, de batteries et de composants photovoltaïques, essentiels pour une conception correcte.
