PDF Cours Energie Solaire Photovoltaique

‫المدرسة الوطنية العليا للتكنولوجيا و الهندسة – عنابة‬ National Higher School of Technology and Engineering – Annaba ‫قسم هندسة الطرائق و الطاقوية‬ Department of Process Engineering and Energetics Energie solaire photovoltaique CHAPITRE I: Principe du P...

‫المدرسة الوطنية العليا للتكنولوجيا و الهندسة – عنابة‬ National Higher School of Technology and Engineering – Annaba ‫قسم هندسة الطرائق و الطاقوية‬ Department of Process Engineering and Energetics Energie solaire photovoltaique CHAPITRE I: Principe du PV 1  Introduction L'énergie électrique est devenue indispensable à notre société moderne, alimentant nos foyers, nos industries et certains moyens de transport. La majorité de cette énergie est produite à partir des sources fossiles ou des centrales nucléaires. Face aux défis environnementaux et à la nécessité de diversifier nos sources d'énergie, la production d'électricité à partir de sources renouvelables, telles que l'énergie solaire photovoltaïque (PV), est en plein essor. La génération PV, qui convertit directement la lumière du soleil en électricité grâce à des cellules solaires, offre une solution propre, durable et de plus en plus compétitive pour répondre à nos besoins énergétiques croissants. Le présent chapitre est consacré à la présentation de principe PV ainsi que les paramètres d’énergie solaire nécessaires à la fonction de ce système. 2  Lumière, Photon et Energie « Un faisceau lumineux correspond au déplacement de petites particules énergétiques, appelées photons. » Théorie proposée par Einstein en 1905 pour expliquer l’effet photoélectrique. Depuis 1924, la lumière est décrite comme une onde électromagnétique; où la longueur d’onde (fréquence) pour ces oscillations qui traversent l’espace et parfois la matière. Le photon est une particule élémentaire qui constitue la plus petite unité de la lumière et des autres formes de rayonnement électromagnétique. Il est sans masse, se déplace à la vitesse de la lumière et transporte une quantité discrète d'énergie, appelée quantum d'énergie. Cette énergie est proportionnelle à la fréquence du rayonnement selon la relation E=h⋅ν, où E est l'énergie du photon, h est la constante de Planck, et ν est la fréquence de la lumière 3  Lumière, Photon et Energie Le terme « énergie », pour décrire une capacité d'un système physique ou biologique à se déplacer ou à changer; elle se présente sous de nombreuses formes : électrique, chimique ou mécanique. « L'énergie est la capacité d'un système à produire des effets extérieurs (chaleur, lumière…)» Max Planck Un vecteur d'énergie est un support ou un moyen qui permet le transfert, le stockage ou la conversion de l'énergie d'une forme à une autre. par exemple Hydrogène, carburants fossiles, chaleur, photons, électricité. Les photons sont les vecteurs de l'énergie solaire, et que leur interaction avec les matériaux semi-conducteurs est à la base de la conversion de l'énergie lumineuse en électricité dans les panneaux photovoltaïques. 4  Lumière, Photon et Energie L’énergie de photon est donnée par la relation suivante: 𝑐 𝐸=ℎ 𝜆 avec : h= 6,6255.10-34 J.s : constante de Planck ; c= 3.108 m/s : vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide ; 𝜆 : Longueur d’onde en mètre ; La longueur d’onde d’un faisceau lumineux caractérise sa couleur, telle que la perçoit notre œil. Bien sûr, tous les rayonnements ne sont pas perceptibles par l’œil, mais ils ont aussi leur longueur d’onde, qui dépend de leur fréquence. 5  Lumière, Photon et Energie L’énergie de photon est donnée par la relation suivante: 𝑐 𝐸=ℎ 𝜆 À la base de la fréquence, la lumière peut être décomposée en un spectre, où la lumière visible possède une longueur d’onde entre 400 et 800 nm. Mais le rayonnement se fait aussi de part et d’autre du visible: dans l’infrarouge (40 % de la puissance totale) et dans l’ultraviolet (10 %) 6  Lumière, Photon et Energie L’énergie de photon est donnée par la relation suivante: 𝑐 𝐸=ℎ 𝜆 Le flux solaire est réduit en passant du sommet de l’atmosphère jusqu’à la surface terrestre à cause de deux paramètres : Un paramètre géométrique lié à la rotation de la terre ainsi que de l’orientation de surface du sol vers la source de lumière. Le deuxième est lié à l'atmosphère où l’air est assez dense dans les premiers 50 km, où des fréquences résonnantes avec les transitions de l’ozone, du dioxygène, de l’eau ou du dioxyde de carbone sont absorbées facilement. De ce fait, des raies apparaissent dans le spectre. 7  Irradiation et ressource solaire Lorsqu'il traverse l'atmosphère terrestre, le rayonnement solaire subit une atténuation due à la diffusion et à l'absorption par les atomes, les molécules et les ions des gaz présents. 8  Irradiation et ressource solaire La distribution théorique des longueurs d'onde du rayonnement du corps noir Eλ est mathématiquement décrite par l'équation de Planck : 2ℎ𝑐²𝜆−5 𝐸𝜆 = ℎ𝑐 exp −1 avec : 𝑘𝜆𝑇 h= 6,6255.10-34 J.s : constante de Planck ; c= 3.108 m/s : vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide ; k = 1,38 × 10-23 m2 kg s-2 K-1 : constante de Boltzmann ; 𝜆 : Longueur d’onde en mètre ; 𝑇 : Température absolue en °K. L’ensoleillement représente le flux d’énergie émis par unité de temps et par unité de surface du soleil, exprimée en W/m² (donné par la loi de Stefan-Boltzmann) : 𝐸𝑆 = 𝜎.𝑇4 où : σ =5,67.10-8 W/m2.K4 est la constante de Stefan-Boltzmann ; T est la température absolue du corps noir. 9  Irradiation et ressource solaire En supposant que le soleil est un corps noir, l’ensoleillement reçu en dehors de l'atmosphère terrestre, nommé « constante solaire » est donné par l’expression : ES.AS = E0.A0T avec : 𝐸𝑆 : Eclairement de la surface du soleil ; 𝐸0 : Eclairement en dehors de l’atmosphère terrestre, appelé constante solaire ; 𝐴𝑆 : Aire de la Surface du soleil ; 𝐴0𝑇 : Aire de la Surface de la sphère dont le rayon est l’orbite de la terre/soleil ; o Température du soleil de : 5760°K, o Rayon solaire de 695 000 km, o Rayon de l’orbite Terre/Soleil de 1,5.108 km, on obtient une constante solaire E0 = 1360 W/m². 10  Irradiation et ressource solaire L'orbite de la terre étant elliptique, le rayon R0T n’est pas entièrement constant, par conséquent la constante solaire E0 variante tout au long de l’année (en fonction de la position de la terre sur l’orbite) : 1300 W/m²< E0 < 1390 W/m² La valeur moyenne sur une année est d’environ 1367 W/m². La densité du rayonnement solaire incident EG sur un collecteur est issue de trois sources différentes : o Rayonnement direct, o Rayonnement diffus, o Rayonnement réfléchi. 11  Irradiation et ressource solaire Rayonnement solaire direct Parmi les composantes du rayonnement solaire, la plus importante pour les systèmes d'énergie renouvelable est le rayonnement solaire direct. Celui-ci provient directement du Soleil sous forme de rayons parallèles, sans être intercepté par des obstacles opaques tels que les nuages. Il est uniquement atténué par les éléments transparents des différentes couches atmosphériques. Le rayonnement solaire direct se distingue par sa capacité à produire des ombres nettes et bien définies des objets qu'il éclaire. 12  Irradiation et ressource solaire Rayonnement solaire diffus Lorsque le rayonnement solaire, en traversant l'atmosphère, rencontre des molécules de gaz et des particules, il les excite, provoquant des oscillations et des émissions de rayonnement. Ces molécules et particules deviennent alors des sources de rayonnement électromagnétique à des longueurs d'onde spécifiques. Ainsi, l'énergie reçue est transmise de manière inégale dans toutes les directions, en fonction des propriétés des gaz ou des particules. L'énergie ne se propage plus uniquement dans une seule direction (entrée dans l'atmosphère) mais dans toutes les directions. L'effet de la diffusion est double : d'une part, il réduit l'intensité du rayonnement solaire direct, et d'autre part, il génère un rayonnement diffus provenant du ciel 13  Irradiation et ressource solaire Rayonnement solaire réfléchi Après avoir traversé l'atmosphère, le rayonnement solaire atteint le sol ou les surfaces d'eau (mers, lacs, rivières). Selon les propriétés du substrat, une partie plus ou moins importante du rayonnement sera réfléchie. Il existe trois processus de réflexion: 1-La réflexion de type miroir (spéculaire) se produit sur les surfaces planes (dans la nature, sur les eaux calmes), lorsque la rugosité de la surface est inférieure à la longueur d'onde du rayonnement solaire. 2-Si la rugosité de la surface est comparable à la longueur d'onde du rayonnement, une réflexion diffuse est possible, consistant en plusieurs réflexions spéculaires sur tous les niveaux élémentaires qui composent la surface. 3-La réflexion volumique se produit lorsque le rayonnement pénètre à travers la surface et se réfléchit sur différentes couches situées sous la surface. La réflexion totale représente la somme des réflexions spéculaire, diffuse et volumique.14  Profils journaliers Il faut bien distinguer le rayonnement instantané (en W/m2), Horaire Puissance (W/m²) appelé aussi éclairement, qui est un flux lumineux reçu à un 5 50 moment donné, et le rayonnement intégré (ou cumulé) (en 6 100 Wh/m2 ou kWh/m2), qui est l’énergie totale disponible pendant 7 200 un certain temps. En général, cette période de base est de 24 h 8 400 : on parle alors de Wh/m2·jour. On obtient cette énergie 9 600 globale en multipliant le rayonnement instantané par le temps. 10 700 Pour un rayonnement variable, c’est l’intégrale du 11 900 rayonnement sur le temps considéré. 12 1000 13 1000 Considérons le tableau suivant définissant la puissance 14 890 d’irradiance appliqué à un panneau: 15 700 16 500 17 300 18 150 19 50 15  Profils journaliers Horaire Puissance (W/m²) Puissance… 5 50 1200 6 100 7 200 1000 8 400 800 9 600 10 700 600 11 900 12 1000 400 13 1000 14 890 200 15 700 16 500 0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 17 300 18 150 19 50 16  Profils journaliers Les détails des rayonnements globaux intégrés réels sont connus, dans la pratique, grâce aux statistiques fournies par les stations météorologiques de différents pays. Pour tout calcul d’une application en extérieur, on utilisera la valeur moyenne du rayonnement global reçu pendant une journée (en Wh/m2·jour), et cela en fonction : du lieu géographique ; du mois de l’année ; de l’orientation (sud, sud-est, nord…) ; de l’inclinaison (angle du panneau : vertical, horizontal). 17  Notions de physique des semiconducteurs De l’atome de Bohr à la théorie des bandes L’atome de Rutherford est un système solaire en miniature : la force de gravitation est remplacée par la force de Coulomb. La conception de Rutherford est que Z électrons gravitent autour de Z charges positives, mais ce théorème était incomplet car les énergies et les vitesses de ces électrons n’étaient pas identiques. C’est grâce au théorème de Bohr de préciser ce point. Considérons l’atome d’hydrogène constitué d’un électron qui circule autour d’un atome. Selon Bohr l’électron gravitant autour de noyau ne peut pas posséder une quantité de mouvement quelconque ; elle suppose que son moment par rapport au noyau est toujours un multiple entier de la ℎ quantité : 2𝜋 où h est la constante de Planck 6.62 10-34 m2kg/s. 18  Notions de physique des semiconducteurs De l’atome de Bohr à la théorie des bandes Si v est la vitesse de l’électron, m est sa masse et r est la distance qui le sépare de noyau, l’hypothèse précédente s’exprime par la formule : ℎ 𝑚𝑣𝑟 = 𝑛 2𝜋 n étant un nombre entier positive. Cette hypothèse a comme conséquence que parmi l’infinité de trajectoires qu’on peut imaginer pour l’électron tournant autour du noyau, un certain nombre seulement peuvent être occupés par les électrons. 19  Notions de physique des semiconducteurs De l’atome de Bohr à la théorie des bandes En développant ces équations ainsi que les équations de Schrodinger, les équations sont réparties sur des orbites bien déterminés, et ces orbites sont classés dans deux bandes d’énergie : Bande de valence : ou les électrons des orbites contribuent à la cohésion locale du solide (entre atomes voisins) et sont dans des états localisés. Bande de conduction : les électrons de cette sont délocalisés. Ce sont ces électrons qui participent à la conduction électrique. Entre ces deux bandes, pour certains matériaux nous trouvons une bande où les électrons ne peuvent pas se placer, même les équations pour ces rayons ne donnent rien. Cette bande est dite bande interdite ou gap. 20  Notions de physique des semiconducteurs De l’atome de Bohr à la théorie des bandes A une température de 0 Kelvin, on distingue donc trois cas pour le remplissage de ces bandes : Des matériaux dont la bande de conduction est vide, et l’énergie pour que l’électron traverse le gap est grande (de l'ordre supérieur à 2 eV) C’est un matériau isolant. Des matériaux dont la bande de conduction est vide mais le gap est plus faible (de l'ordre entre 0.7 et 2 eV). Le solide est donc isolant à température nulle, mais une élévation de température permet de faire passer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction. La conductivité augmente avec la température : c'est un matériau semiconducteur. Des matériaux dont la bande de conduction est partiellement occupée, et un faible champ électrique déplacer les électrons de bandes de valence pour participer au courant de conduction, sans dépenser beaucoup d'énergie, ce matériau est alors conducteur. 21  Notions de physique des semiconducteurs De l’atome de Bohr à la théorie des bandes 22  Notions de physique des semiconducteurs De l’atome de Bohr à la théorie des bandes Un paramètre important de la théorie des bandes est le niveau de Fermi, le sommet des niveaux d'énergie électronique disponibles à basse température. La position du niveau de Fermi par rapport à la bande de conduction est un facteur crucial dans la détermination des propriétés électriques. 23  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Un semiconducteur est une substance à l'état solide qui peut être électriquement modifiée. Les matériaux semiconducteurs couramment utilisés sont le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium. Nous pouvons trouver dans la littérature deux types des semiconducteurs : Intrinsèques (pures) et extrinsèques (dopés). Pour les semi-conducteurs intrinsèques comme le silicium et le germanium, le niveau de Fermi est essentiellement à mi-chemin entre les bandes de valence et de conduction. Bien qu'aucune conduction ne se produise à 0 K, à des températures plus élevées, un nombre fini d'électrons peut atteindre la bande de conduction et fournir du courant. 24  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Il se comporte comme un isolant à très basse température et présente une conductivité électrique appréciable à température ambiante bien que beaucoup plus faible qu'un conducteur où les liaisons inter-atomes se cassent. Il est à noter que ces semiconducteurs ne suivent pas la loi d'Ohm, c'est-à-dire que la résistance électrique change avec la tension et l'intensité. La rupture des liaisons a pour effet de libérer les électrons de valence des liaisons et de les rendre mobiles à travers le réseau cristallin. Nous appelons ces électrons des électrons libres (désormais simplement appelés électrons). La position d'un électron manquant dans une liaison, qui peut être considérée comme chargée positivement, est appelée trou. 25  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Selon les structures des atomes, nous pouvons distinguer trois types des semiconducteurs: 26  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs La fabrication d’un cristal parfait de silicium se fait majoritairement selon le procédé Czochralski, du nom de son inventeur. Le polysilicium issu du procédé Siemens est d’abord fondu dans un creuset à une température supérieure à 1 400 °C. Un petit bout de silicium déjà cristallisé est utilisé comme germe (seed) : on le met en contact avec la surface du silicium liquide, puis on le tire lentement vers le haut, à raison de quelques millimètres par minute. Le silicium liquide colle à ce germe comme l’eau colle au doigt qu’on sort d’un verre. Ainsi entrainé, le silicium liquide sort du bain et refroidit, reprenant sa forme solide. 27  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Ce refroidissement étant lent, les atomes de silicium ont le temps et l’énergie de trouver leur position optimale par rapport aux atomes auxquels ils s’accrochent, et forment spontanément un cristal. En continuant à tirer, on forme petit à petit un cylindre, appelé lingot, qui peut atteindre 450 mm de diamètre et 2 m de longueur. Ce lingot est constitué d’un seul cristal régulier – on parle de silicium monocristallin. 28  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs À partir d’un lingot Czochralski (monocristallin), deux étapes de sciage sont nécessaires : une première coupe le lingot dans la longueur pour enlever les côtés ronds du cylindre; une seconde étape tranche le pavé ainsi obtenu en wafers carrés de ~200 µm d’épaisseur et de 156 mm à 210 mm de largeur, selon le lingot initial. En fonction de la première découpe, les wafers peuvent conserver des coins en chanfrein, trace de leur origine dans un lingot Czochralski, mais certains modèles de wafer récemment standardisés n’ont plus de chanfrein. 29  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Comme pour beaucoup de procédés industriels, une alternative plus simple et rapide est possible, à condition de sacrifier un peu de qualité. Elle utilise également un creuset rempli de polysilicium fondu, mais le creuset est ici beaucoup plus large et avec un format carré. Le creuset(et le silicium qu’il contient) est progressivement refroidi du bas vers le haut. Si le refroidissement est bien contrôlé, les atomes de silicium s’organisent localement dans un ordre cristallin en se solidifiant; mais les domaines cristallins ainsi formés n’ont pas tous la même orientation, ni la même taille. On appelle ce matériau, formé de plusieurs cristaux parfaits avec des tailles millimétriques, du silicium multi-cristallin– et on peut voir à l’œil nu la diversité des cristaux. Néanmoins, sa nature dégrade légèrement les propriétés électroniques du matériau, et les dispositifs issus de cette technique sont toujours légèrement moins performants que leurs homologues monocristallins. 30  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Un lingot Bridgman (multicristallin) a déjà la forme parallélépipédique du creuset. Un découpage reste nécessaire pour obtenir les wafers de 200 µm en épaisseur et 210 mm en largeur, et on peut distinguer ces wafer multi-cristallins de leurs homologues mono-cristallins par leur aspect de mosaïque, dû aux multiples domaines cristallins qui y sont présents. Les wafers multi-c-Si n’auront jamais de chanfreins, car ils ne sont pas issus d’un lingot cylindrique. 31  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Selon les structures des atomes, nous pouvons distinguer trois types des semiconducteurs: a-Silicium cristallin Le silicium cristallin a une structure cristalline ordonnée, chaque atome se trouvant idéalement dans une position prédéterminée. Il permet donc une application facile des théories et techniques développées pour le matériau cristallin, et présente un comportement prévisible et uniforme. Il s'agit cependant du type de silicium le plus cher, en raison des processus de fabrication minutieux et lents requis. 32  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Selon les structures des atomes, nous pouvons distinguer trois types des semiconducteurs: b-Silicium multicristallin Les techniques de production de silicium multicristallin ou polycristallin sont moins critiques, et donc moins chères. Les joints de grains réduisent les performances de la cellule en bloquant les flux de porteurs, permettant des niveaux d'énergie supplémentaires dans l'espace interdit. Pour éviter des pertes de recombinaison significatives aux joints de grains, des tailles de grains de l'ordre de quelques millimètres sont nécessaires. Cela permet également aux grains uniques de s'étendre de l'avant vers l'arrière d'une cellule, offrant moins de résistance à l'écoulement des porteurs et diminuant généralement la longueur des joints de grains par unité de cellule. Un tel matériau multicristallin est largement utilisé pour la production commerciale de cellules solaires. 33  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs Selon les structures des atomes, nous pouvons distinguer trois types des semiconducteurs: c-Silicium amorphe Avec le silicium amorphe, il n’y a pas d’ordre à longue distance dans l’arrangement structurel des atomes, ce qui entraîne des zones à l’intérieur du matériau contenant des liaisons non satisfaites ou «pendantes». On a constaté que l'incorporation d'hydrogène atomique dans le silicium amorphe, à un niveau de 5 à 10%, sature les liaisons pendantes et améliore la qualité du matériau. Il augmente également la bande interdite (Eg) de 1,1 eV dans le silicium cristallin à 1,7 eV, ce qui le matériau absorbant beaucoup plus fortement les photons d'énergie au-dessus de ce dernier seuil. Les longueurs de diffusion de porteurs minoritaires dans de tels alliages silicium-hydrogène (a-Si: H) sont bien inférieures à 1 µm. 34  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs La concentration des charges dans les semiconducteurs intrinsèques : 3 3 𝐸𝑔 2 𝜋 𝐾𝐵 𝑇 2 − 𝑛𝑖 = 𝑚𝑒∗ 𝑚𝑝∗ 4 𝑒 2 𝐾𝐵 𝑇 ℎ2 avec : KB : Constante de Boltzman 1,38 10-23 J/°K; h : Constante de Plank 6,62 10-34 Js; me* : masse effective de l’électron 0,55 me (masse de l’électron 9,1 10-31 kg); mp* : masse effective de trou 0,35 me ; 35  Notions de physique des semiconducteurs Les semiconducteurs La concentration des charges dans les semiconducteurs intrinsèques : 3 3 𝐸𝑔 2 𝜋 𝐾𝐵 𝑇 2 − 𝑛𝑖 = 𝑚𝑒∗ 𝑚𝑝∗ 4 𝑒 2 𝐾𝐵 𝑇 ℎ2 Il est à noter que cette densité représente la même quantité des électrons libres n et des trous p → 𝑛𝑖 = 𝑛 = 𝑝, et alors nous pouvons noter deux relations: 𝑛𝑖2 = 𝑛 𝑝 2𝑛𝑖 = 𝑛 + 𝑝 36