Guide technique sur les cellules et modules photovoltaïques

Constitution d'une cellule solaire

Une cellule solaire est formée d'une plaquette de matériau semi-conducteur tel que le silicium. On y ajoute du bore (impureté trivalente, région P) et une fine couche de phosphore (impureté pentavalente, région N) pour obtenir une jonction PN. Pour améliorer les performances de la cellule, le côté recevant la lumière du soleil subit un traitement de surface pour réduire la réflexion. Cette surface possède un treillis métallique qui offre une bonne connexion électrique tout en exposant la surface de réception au soleil. Ceci est réalisé grâce à des plaques métalliques en forme de peigne très fin de 20-150 mm. La grille décrite constitue la borne négative de la cellule, tandis que la métallisation de la borne positive est réalisée sur le dos. La cellule est complétée par le dépôt d'une couche antireflet sur le front, ce qui facilite l'absorption des photons.

Types de cellules photovoltaïques

A. Une brève histoire de la cellule solaire

Les premières cellules solaires ont été développées en 1883 par Charles Fritts, qui a recouvert un semi-conducteur au sélénium avec de l'or. En 1946, la première cellule photovoltaïque moderne est produite. En 1954, les Bell Labs découvrent la sensibilité à la lumière des semi-conducteurs dopés avec des impuretés. Depuis la fin des années 1950, la course à l'espace a sensiblement influencé le développement des cellules solaires pour alimenter les satellites. En 1970, la première cellule à l'arséniure de gallium (GaAs) est créée, dominant le matériel de fabrication jusque dans les années 1980, avant d'être remplacée par les cellules de silicium.

B. Types de cellules solaires

Sur le marché et dans les laboratoires de recherche, il existe différents types de cellules et modules solaires. Les plus courants sont :

• Silicium monocristallin : son efficacité ou rendement est de 15 à 18 %.
• Silicium polycristallin : son efficacité est comprise entre 13 et 16 %. Ces valeurs augmentent chaque année.
• Silicium amorphe : son efficacité est de 6 à 9 %.
• Arséniure de gallium (GaAs) : un rendement de 25 %.

Pertes et performance de la cellule solaire

Ces pertes sont dues à :

• L'énergie des photons trop faible pour briser le lien et générer une paire électron-trou (22 % de pertes).
• L'énergie des photons trop élevée par rapport à la liaison du silicium (30 % de pertes).
• La recombinaison des électrons et des trous (8,5 % de pertes).
• La réflexion du rayonnement solaire et l'ombre causée par la connexion électrique (3 % de pertes).
• La perte de tension de la cellule en raison de la résistance interne (20 % de pertes).

Paramètres d'une cellule photovoltaïque

La courbe courant-tension qui définit le comportement de la cellule photovoltaïque est caractérisée par :

• Icc : courant de court-circuit.
• Vco : tension en circuit ouvert.

On peut voir les mesures typiques qui définissent une cellule :

• Courant de court-circuit (Icc) : pour un rayonnement de 100 W/cm².
• Tension en circuit ouvert (Vco) : sa valeur oscille autour de 0,5 V.
• Puissance de crête (Wp) : c'est la puissance électrique maximale qu'une cellule peut fournir, définie par un point sur la courbe I-V.

Pour comprendre le fonctionnement d'une cellule solaire, nous retenons ces deux facteurs :

1. La tension aux bornes d'une jonction PN ou de la cellule varie en fonction de la température.
2. Le courant fourni par une cellule solaire à un circuit externe est proportionnel à l'intensité du rayonnement et à la surface des cellules.

Modules photovoltaïques

Les modules photovoltaïques comptent entre 36 et 96 cellules. Dans certains cas, il peut y avoir une connexion en parallèle de groupes de cellules connectées en série. Nous devons aussi assurer la protection de l'ensemble des cellules contre les intempéries. L'ensemble des cellules solaires regroupées avec les caractéristiques décrites est appelé module photovoltaïque.

Structure d'un module photovoltaïque

Un module photovoltaïque comprend :

• A. Face avant : en verre trempé, habituellement de 4 mm d'épaisseur.
• B. Encapsulation : la plupart des modules utilisent de l'éthylène-vinyle-acétate (EVA).
• C. Face arrière : utilise une couche de fluorure de polyvinyle (PVF).
• D. Cadre : la plupart des fabricants utilisent de l'aluminium anodisé, ce qui assure la rigidité et la force du module.
• E. Boîtier de connexion : situé à l'arrière du module, il consiste en une boîte de protection contre l'eau et la poussière, en matière plastique résistante aux températures élevées.
• F. Cellules : la connexion des cellules d'un module photovoltaïque est faite avec des bandes métalliques soudées ou intégrées sur la grille pour la connexion électrique avec la face avant de chaque cellule.

Paramètres caractéristiques du module

Un module PV est constitué de plusieurs cellules solaires interconnectées. Les conclusions sur le fonctionnement du module sont les suivantes :

• Le point de fonctionnement : dans la caractéristique I-V, il est fixé par la résistance de la charge connectée. La puissance fournie par le module dépend du rayonnement solaire.
• Le courant : fourni par un module photovoltaïque, il est proportionnel à l'intensité lumineuse et ne peut excéder la valeur du courant de court-circuit.
• Effet de la température :
  • A. Tension en circuit ouvert : diminue lorsque la température augmente.
  • B. Courant de court-circuit : augmente avec la température.
  • C. Puissance du module : diminue avec l'augmentation de la température.

Puissance et tolérance de production

Les fabricants classent et identifient les modules photovoltaïques par leur puissance maximale ou de crête, qui correspond au point de puissance maximale des caractéristiques I-V. Ils travaillent à produire la puissance maximale selon les caractéristiques I-V du module. Il existe des tolérances sur les paramètres caractéristiques de chaque module. Enfin, au cours de la durée de vie d'un module photovoltaïque (estimée à environ 25 ans), le vieillissement entraîne une diminution de l'électricité produite. Les fabricants l'indiquent dans les fiches techniques afin d'assurer 90 % de la puissance au cours des 10 premières années et 80 % de la puissance pendant 25 ans.

Point chaud (Hot Spot)

Si, dans un module PV avec plusieurs cellules en série, un ombrage se produit sur une cellule, celle-ci a tendance à fonctionner comme un récepteur dissipant de la puissance, ce qui provoque une surchauffe. Cet effet est appelé point chaud, dû à un chauffage localisé. Pour éviter tout risque de dommages irréversibles à la suite de ce chauffage localisé, des diodes de dérivation (bypass) sont utilisées avec les cellules associées en série.

Connexion des modules photovoltaïques

Le courant et la tension d'un module photovoltaïque ne satisfont pas toujours aux exigences d'une installation. Dans ce cas, il est nécessaire de regrouper plusieurs modules pour atteindre les valeurs appropriées. La connexion des modules en série augmente la tension, tandis que la connexion en parallèle augmente l'intensité. Un générateur photovoltaïque est le nom donné à l'ensemble des modules d'un système. Il existe 3 types de connexion selon les besoins :

Connexion des modules en série

Elle est réalisée en reliant la borne positive d'un module avec la borne négative du suivant. Ses caractéristiques sont les suivantes : l'intensité du générateur est égale à celle d'un module (Ig = Im) et la tension du générateur est égale à la tension d'un module multipliée par le nombre de modules en série (Vg = Ns x Vm).

Connexion des modules en parallèle

Elle est réalisée en reliant les bornes positives de tous les modules entre elles et les bornes négatives entre elles. Ses caractéristiques sont les suivantes : Ig = Np x Im et Vg = Vm.