Retour à La page TIPE

SOMMAIRE

SOMMAIRE *

INTRODUCTION *

HISTORIQUE *

I LA PHOTOMETRIE *

II LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE *

III UTILISATION D’UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE *

IV RENSEIGNEMENTS PRATIQUES (pour l’utilisation optimale d’une cellule) *

CONCLUSION *

Hormis les énergies nucléaire et géothermique, le soleil est à l’origine de la quasi-totalité des sources d’énergies utilisées par l’humanité pour ses besoins alimentaires, domestiques et industriels : biomasse, vent, hydraulique, combustibles fossiles. Le soleil fournit ainsi chaque jour à la Terre, par son rayonnement, l’équivalent de plusieurs milliers de fois la consommation énergétique totale de l’humanité pour ses activités d’aujourd’hui.

L’apport d’énergie solaire suffirait donc largement à alimenter la consommation terrestre ; le seul problème est de convertir l’énergie solaire en une énergie utilisable.

Ainsi, l’utilisation de cellules photovoltaïques reste encore assez restreinte (La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique, qui a pris son essor avec la conquête spatiale, est réalisée par l’intermédiaire de piles photovoltaïques). C’est un domaine encore mal connu et peu exploité, faute de pouvoir lui trouver une application vraiment rentable.

Avant donc d’aborder le fonctionnement de la cellule photovoltaïque en elle-même, nous nous attacherons d’abord à expliquer quelques notions indispensables de photométrie. Ensuite, nous étudierons la cellule photovoltaïque : ses composants, ses caractéristiques, son fonctionnement. Enfin, nous verrons quelles sont les différentes contraintes d’utilisation d’un tel dispositif, et ainsi quelles sont les conditions nécessaires pour une utilisation optimale.

L' hélioélectricité, qui traite de la transformation directe de l'énergie solaire en énergie électrique, est apparue en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium, mais ce n'est qu'à partir de 1954, avec la réalisation des premières cellules photoélectriques au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell Téléphone, que l'on entrevoit la possibilité de fournir de l'énergie. Très rapidement utilisées pour l'alimentation des véhicules spatiaux, leur développement et de rapides progrès ont été motivés par la conquête de l'espace.

Mais, pour des raisons à la fois techniques et économiques, cette nouvelle source d'énergie électrique a tardé à s'imposer en dehors du domaine spatial.

Cependant, au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et même est devenue familière des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompes et réfrigérateurs solaires.

Des événements tels que les courses de véhicules solaires offrant une image de haute technologie futuriste et écologique ( comme le World Solar Challenge consistant à traverser l'Australie du nord au sud ) y ont également contribué.

Dans le vocabulaire de la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), la photométrie désigne les techniques des mesures de la lumière considérée comme porteuse de l'excitation visuelle. La toute première étude rationnelle de la propagation lumineuse date de 1729, avant de découvrir en 1801 l'existence des rayons infrarouges et ultraviolets. Jusqu'en 1930, les méthodes de mesures photométriques utilisaient l’œil comme récepteur, puis celui-ci a été remplacé par des cellules photoélectriques. Entre-temps, les métrologues avaient développé la quasi-totalité des méthodes utilisées aujourd'hui.

A cause de la complexité du rayonnement lumineux et surtout de sa propagation, les métrologues ont dû définir un nombre relativement important de définitions et grandeurs photométriques que l'on va tâcher de définir le plus clairement possible.

Une source est un convertisseur qui transforme une énergie en un rayonnement: une lampe électrique, par exemple.

On appelle détecteur tout appareil qui convertit ce rayonnement en une autre forme d'énergie stockable et plus facilement mesurable.

Dans les études quantitatives sur la propagation du rayonnement, on est souvent amené à considérer des surfaces matérielles qui font office de relais entre la source et le détecteur : ce sont les récepteurs.

Le flux lumineux est la valeur instantanée d'un débit de rayonnement. On peut mesurer le flux émis par une source, transporté par un faisceau ou encore reçu par un détecteur. Il peut être mesuré par la puissance qu'il transporte ou par le nombre de photons qu'il transporte par unité de temps, pour une surface S déterminée.

Le flux lumineux s'exprime en Watts (W).

L'intensité I d'une source de rayonnement est le rapport entre le flux dF _s qu'elle émet dans un petit angle solide donné et la valeur de celui-ci.

I est en w/sr.

L'éclairement E est la valeur locale du rapport entre le flux reçu par une surface élémentaire d’un récepteur et l'aire de cette surface, soit : E=dF /dS.

E est en W/m².

L’exposition H d’une surface réceptrice en un point donné est l’intégrale de l’éclairement en ce point pendant un intervalle de temps donné :

H=ò E.dt .

H est donc en J.m² .

L’exitance M en un point d’une surface source est la valeur entre locale du rapport entre le flux émis dF et l’aire émettrice dS, soit M=dF /dS.

M est comme l’éclairement exprimé en W/m².

C'est le nombre de photons transportés par la lumière à travers une surface, pendant un temps T. La quantité de lumière Q est l'intégrale du flux pendant un intervalle de temps T donné :

Où Q est exprimé en joules.

Considérons une source de faible surface dS entourant un point O. Soit dI l'intensité de l'élément dans une direction D, et A l'angle formé par d et la normale à l'élément.

L s'exprime en W/(m².sr).

On utilise en photométrie 3 systèmes d’unité équivalents :

· Energétique, l’unité de la quantité de lumière étant le joule.

· Photonique, l’unité de la quantité de lumière étant sans dimension (un nombre de photons).

· Lumineuse, l’unité fondamentale étant le Candela

Remarque : Les deux premiers systèmes peuvent être utilisés dans tout le domaine spectral, alors que le troisième n’est utilisable que dans le domaine visible. Le petit tableau ci-après résume ces principales définitions.

C’est une cellule solaire, qui reliée à un voltmètre donne en sortie une tension proportionnelle à la valeur du flux lumineux à travers la surface de la cellule.

Nous avons voulu faire l’étude de la variation du flux lumineux en fonction de la distance, pour une distance de 0 à 20 cm ; les résultats semblent montrer que le flux est inversement proportionnel à la distance. En fait, ce n’est pas vrai, mais la distance variant tellement peu, nous avons fait en quelque sorte un approximation de la variation réelle laissant croire qu’elle était linéaire. En réalité, le flux lumineux est inversement proportionnel au carré de la distance.

Il existe différents dispositifs de transformation de l’énergie solaire. 

Dans la conversion photoélectrique, le photon absorbé excite un électron dans la bande de conduction d’un semi-conducteur, on peut ainsi obtenir des photopiles. Les matériaux employés sont le silicium monocristallin et polycristallin, l’arséniure de gallium et les matériaux en couches minces. Les photopiles, dont le rendement a augmenté de moitié, furent cependant utilisées d’abord pour l’alimentation en énergie des satellites et ont de nombreuses applications courantes.

Une autre application des photopiles est la conversion photovoltaïque.

Les dispositifs classiques de transformation de la chaleur en électricité  passent par l’intermédiaire d’énergie mécanique obtenue par des moteurs thermiques. On peut se poser le problème de transformer directement de la chaleur en électricité sans l’intervention de moteur mécanique. Plusieurs solutions sont aujourd’hui à l’étude : l’effet photovoltaïque, l’effet thermoélectrique et la magnétohydrodynamique.

Plusieurs phénomènes électriques sont provoqués par l’action de la lumière sur la matière. Ces effets ont en commun le processus primaire d’absorption de la lumière. Dans tous les cas, les photons qui transportent l’énergie lumineuse transmettent toute leur énergie à la matière et disparaissent. Ce sont les effets secondaires qui différencient les phénomènes observés. Parmi ceux-ci, on distingue l’effet photovoltaïque : Certaines chaînes de conducteurs éclairées de façon appropriée font apparaître des forces électromotrices d’où il résulte une transformation directe d’énergie lumineuse en énergie électrique Cet effet a été découvert par Antoine Becquerel, dès 1839, avec une chaîne de conducteurs comportant des électrolytes. Cet effet ne prit de l’importance que beaucoup plus tard, avec l’apparition des cellules à couche d’arrêt utilisées dans les posemètres photographiques, et surtout avec les piles solaires. Le fonctionnement des générateurs photovoltaïques repose sur les propriétés des jonctions. Ces jonctions peuvent être du type p-n  entre deux fragments d’un même semi-conducteur dopés différemment ou entre deux semi-conducteurs différents (hétérojonctions). Les plus utilisées sont actuellement les jonctions p-n, et on exposera le principe des générateurs voltaïques en considérant une jonction entre deux semi-conducteurs p et n  possédant la même largeur de bande interdite E_G.

Les semi-conducteurs sont des corps solides dont la conductivité électrique se situe entre celle des métaux et celle des isolants. La conductivité électrique  est une propriété qui varie énormément d’un corps à l’autre et, pour un solide donné, est fonction de la température et de la pureté chimique ; un certain effort de classification s’impose donc.

L’étude des corps purs et bien cristallisés montre que les cristaux se séparent en deux grandes familles au voisinage du zéro absolu (- 273°C) : les métaux conducteurs de l’électricité et les isolants. Certains isolants deviennent conducteurs à plus haute température, en particulier s’ils contiennent des impuretés, des défauts cristallins ou des défauts de stœchiométrie (écart par rapport à la composition chimique nominale) ; ce sont par définition les semi-conducteurs. Un semi-conducteur est donc un cristal qui est isolant s’il est pur et au zéro absolu, et dont la conductivité électrique est due à l’agitation thermique, à des impuretés ou à différents types de défauts.

Les principaux semi-conducteurs sont le germanium (Ge), le silicium (Si), le sélénium (Se), les composés binaires : arséniure de gallium (GaAs), antimoniure d’indium (InSb), phosphure de gallium (GaP) et phosphure d’indium, ainsi que les composés ternaires et quaternaires.

L’importance des semi-conducteurs est due à la découverte de l’effet transistor  dans ces corps, et à une meilleure connaissance de leur structure qui a révolutionné l’industrie des composants électroniques. Les principales qualités de ces composants sont leur fiabilité (leur durée de vie est pratiquement infinie) et leur faible consommation, qui permettent l’intégration de nombreux composants dans de petits volumes. La technologie des semi-conducteurs permet aussi une fabrication très reproductible et en très grande série. Le semi-conducteur le plus utilisé dans l’industrie est le silicium.

Structure électronique des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs les plus classiques sont des cristaux covalents comme le germanium ou le silicium, éléments qui possèdent quatre électrons de valence. Par mise en commun d’électrons, on obtient autour de chaque atome une couche saturée à huit électrons. La bande de valence est entièrement pleine ; la bande supérieure, dite bande de conduction, est vide. Si l’on chauffe le cristal, un petit nombre n d’électrons peut être excité et passe dans la bande de conduction, laissant des places vides (en nombre p ) ou trous  (ou lacunes) dans la bande de valence. D’après le mécanisme de création de ces électrons et de ces trous, on a évidemment n = p =n_i, appelée concentration intrinsèque. La variation de cette quantité est donnée par la loi de  Maxwell-Boltzmann :

où E_G est la largeur de la bande interdite séparant la bande de valence de la bande de conduction, T est la température absolue, k  la constante de Boltzmann et n₀ une constante caractéristique du semi-conducteur. À température ambiante (T = 300 K) n i  = 1010 paires électron-trou par centimètre cube pour le silicium, 1013 par centimètre cube pour le germanium. Ces valeurs sont remarquablement petites ; en effet, un cristal de germanium renferme environ 1022 atomes par centimètre cube : il y a donc un électron intrinsèque (ou excité) pour un milliard (109) d’atomes !

La faible valeur de n_i  explique que le nombre d’électrons dans la bande de conduction sera très sensible aux perturbations extérieures. Parmi celles-ci, certaines impuretés chimiques jouent un rôle très important : ce sont les éléments ayant un électron de valence de plus ou de moins que l’atome de semi-conducteur, c’est-à-dire les éléments pentavalents ou trivalents. Examinons, par exemple, le cas d’un atome d’arsenic substitué à un atome de germanium dans le cristal. L’arsenic a cinq électrons de valence ; quatre d’entre eux assurent les liaisons covalentes avec les atomes de germanium voisins, mais le cinquième est disponible et peut être excité moyennant une faible énergie dans la bande de conduction du cristal. Un tel atome d’impureté est appelé donneur. À température ambiante, toutes ces impuretés sont ionisées, et la concentration d’électrons dans la bande de conduction est augmentée de ND, concentration en donneurs. Dans le germanium et le silicium, les donneurs le plus fréquemment utilisés sont le phosphore, l’arsenic et l’antimoine ; un tel semi-conducteur est dit de type n.

Considérons maintenant un atome trivalent, comme le bore, substitué à un atome de germanium dans le cristal. Le bore possède trois électrons de valence qui assurent les liaisons avec trois atomes voisins, mais la quatrième liaison est pendante. Un électron de valence voisin est aisément piégé pour assurer cette liaison, laissant un trou dans la bande de valence. Ce trou se déplace facilement de proche en proche à travers le cristal. Un tel atome d’impureté est appelé accepteur. À température ambiante, tous ces atomes d’accepteurs sont ionisés, et la concentration en trous dans la bande de valence est augmentée de NA, concentration en accepteurs. Dans le germanium et le silicium, les accepteurs les plus utilisés sont le bore, l’indium, le gallium. Un tel semi-conducteur est dit de type p. 

La jonction n-p  est un dispositif semi-conducteur constitué d’un cristal dont une partie a été dopée n  et l’autre dopée p, les deux parties étant séparées par un plan dit de jonction. Examinons le fonctionnement d’un tel dispositif. Imaginons que l’on sépare la jonction en deux parties et qu’on relie la région n  au pôle négatif d’un générateur et la région p  au pôle positif (polarisation directe ). Les électrons libres de la région n, ainsi que les trous libres de la région p, vont vers la jonction, vu le sens de polarisation. Si les deux parties sont en contact, un courant passe. Les électrons sont injectés dans la région p  et les trous dans la région n. On dit qu’il y a injection de porteurs minoritaires. Si l’on polarise la jonction en sens inverse, les électrons allant vers le pôle + et les trous vers le pôle -, ils s’éloignent de la jonction, laissant au voisinage de celle-ci des charges dues aux impuretés ionisées. Mais ces impuretés sont des atomes rigidement liés au réseau cristallin, qui ne peuvent se déplacer. Si l’on met les deux parties en contact, on a au voisinage une région isolante, et la résistance du dispositif en polarisation inverse  sera donc très élevée. La jonction n-p  joue donc le rôle d’un redresseur  laissant passer le courant électrique en polarisation directe et présentant une très forte résistance en polarisation inverse. Si la polarisation est directe, il y a injection de porteurs minoritaires, par exemple des électrons dans la région p ; ces électrons ont tendance à se recombiner avec les trous présents en grand nombre dans cette région p ; ils le font au bout d’un temps t appelé durée de vie  des porteurs minoritaires.

Cette durée de vie est l’un des paramètres fondamentaux qui détermine la qualité de la jonction. Plus t est grand, plus l’effet redresseur est marqué. Le silicium est à ce sujet le meilleur semi-conducteur connu (t peut atteindre la valeur de 1 milliseconde, alors qu’il est de l’ordre de la microseconde pour la plupart des autres semi-conducteurs). Un autre paramètre important est la longueur de diffusion : l’électron injecté dans la région p  diffuse sur une certaine distance L avant de disparaître au bout du temps t ; c’est cette longueur moyenne parcourue par les électrons dans la région p  qui est appelée longueur de diffusion. Elle est de l’ordre de plusieurs micromètres pour le silicium.

La physique du solide montre qu’une telle structure possède une caractéristique courant-tension qui satisfait à l’équation :

où V est la tension appliquée à la jonction, k  la constante de Boltzmann (1,38.10-23 J. K-1 ou 86 eV), q  la charge de l’électron (1,6.10-19 C), T la température absolue, l un coefficient qui varie de 1 à 2 selon la valeur du courant (il est généralement voisin de 1 pour les diodes de faible puissance), et I_s  le courant de saturation, proportionnel à T³ e^W/kT , W représentant l’énergie d’activation dans le matériau considéré (0,72 eV pour le germanium ; 1,1 eV pour le silicium et 1,35 eV pour l’arséniure de gallium). Le courant de saturation double ainsi tous les 9°C environ dans le cas du silicium.

À 300 K, (k T)/q  est de l’ordre de 26 mV et, pour une tension directe supérieure à une centaine de millivolts : I = Is e ^(V/(26mV)).

Cette équation n’est valable que si la tension inverse reste inférieure à une valeur limite VRM prévue par le constructeur. Au-delà, la forte intensité du champ électrique interne sépare des paires électrons-trous ; les électrons ainsi libérés sont accélérés et vont créer de nouvelles ionisations par choc : il y a effet d’avalanche, et le courant inverse croît extrêmement vite; la jonction est en général détruite par effet thermique.

En polarisation directe, la barrière de potentiel est abaissée et un courant de porteurs majoritaires important peut se développer. En polarisation inverse, le courant de porteurs métalliques est très faible et varie peu avec la tension appliquée tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage (diode Zener). Ce courant inverse est par contre très sensible à la température au niveau de la jonction.

La tension directe V aux bornes de la jonction varie peu à partir d’un seuil dont la valeur dépend du matériau (0,5 à 0,8 V pour Si).

La  jonction PN en fonctionnement récepteur (puissance absorbée P = Vid positive) est décrite par les quadrants I et III de la figure 8.

Si l’on soumet une jonction PN de faible épaisseur à un flux lumineux, des paires électron-trou sont créées par les photons dont l’énergie est supérieur à la largeur de la bande interdite du matériau. Il en résulte une augmentation du courant inverse de saturation proportionnelle au flux lumineux. Physiquement, cet effet se traduit de deux manières selon le quadrant de fonctionnement du dispositif :

• dans le 3^ème quadrant, le système fonctionne en récepteur dont la résistance varie fortement avec l’éclairement, c’est la photorésistance ;
• dans le 4ème quadrant, le système fonctionne en générateur dont le courant de court-circuit est proportionnel à l’éclairement et dont la tension à vide est celle de la diode en polarisation directe ( 0.5 à 0.8 Volts pour Si ) ; c’est la cellule photovoltaïque à jonction PN.

Le réseau de caractéristiques est alors donné par la figure 9. Nous allons maintenant nous intéresser uniquement au quadrant IV pour la réalisation de générateurs photovoltaïques à partir de cellules photovoltaïques. Pour cela, nous allons représenter les caractéristiques dans un nouveau repère Ip = f(Vp) donné par la figure 10 où le courant de saturation inverse est compté positivement. Icc représente le courant de court-circuit et Vco la tension en circuit ouvert de la cellule photovoltaïque.

Dans ce nouveau repère, l’équation d’une caractéristique correspondant à  un éclairement E en w/m² est donnée par :

Ip = Icc – Is exp((eVp) /(kT)-1)

Où Icc représente le courant de court-circuit dû à l’éclairement E.

Le schéma équivalent de la cellule photovoltaïque déduit de cette équation est donné par la figure 11 et comprend un générateur de courant qui modélise l’éclairement et une diode en parallèle qui modélise la jonction PN.

La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur électrique de très faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. En effet une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension très faible, par principe, puisqu’il s’agit d’une tension de jonction. Les générateurs photovoltaïques sont, par conséquent, réalisés par association d’un grand nombre de cellules élémentaires.

Ces cellules sont commercialisées sous la forme de modules photovoltaïques associant, généralement en série pour élever la tension, un certain nombre de cellules élémentaires de technologie et caractéristiques identiques. Suivant les besoins de l’utilisation, ces modules sont ensuite associés en réseau série-parallèle de façon à obtenir la tension et le courant désirés. Cette association doit être réalisée en respectant des critères précis, en raison des déséquilibres apparaissant dans un réseau de photopiles en fonctionnement. En effet, bien que choisies théoriquement identiques, les nombreuses cellules qui constituent le générateur présentent des caractéristiques différentes du fait des dispersions de construction inévitables, mais aussi d’un éclairement et d’une température non uniformes sur l’ensemble du réseau. La mise en place de dispositifs de protection efficaces contre les effets négatifs de ces déséquilibres sur le comportement et la fiabilité doit être prévue.

Dans un groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par l’addition des tensions à courant donné.

Dans un groupement de cellules connectées en parallèle, les cellules étant soumises à la même tension, les intensités s’additionnent : la caractéristique résultante est obtenue par addition de courants à tension donnée.

La figure ci-après représente la caractéristique résultante d’un regroupement de n_p cellules identiques en parallèle.

Considérons deux cellules cF et cf présentant deux caractéristiques différentes et connectées en parallèle. Les deux cellules étant soumises à la même tension, la cellule la plus faible cf peut fonctionner en sens inverse, selon certaines valeurs de la tension donc de la charge.

Alors en circuit ouvert I_cf=-I_cF. En considérant un groupement de n-1 cellules du type cF en série avec une seule cellule cf, on en déduit que la cellule est parcourue par le courant (n-1)I_cF en inverse sous une tension proche de V_c0 (en circuit ouvert). La cellule dissipant une puissance trop importante serait alors détruite. Pour éviter ce genre de dommages, il est indispensable de connecter dans chaque branche une diode en série, pour empêcher le courant de traverser la cellule dans le mauvais sens.

Nous avons choisi de réaliser un montage qui mette en évidence le fonctionnement d ‘une cellule photovoltaïque. Pour observer expérimentalement ses caractéristiques, nous l’avons connectée à une petite radio ne nécessitant qu’une faible alimentation. Notre cellule délivre une tension de 3.2 Volts pour une intensité variant de 30 mA à 70 mA.

Nous constatons qu’une simple cellule, comme nous l’avons utilisée, peut suffire à faire fonctionner un petit appareil d’utilisation courante ; ceci à condition que la cellule soit suffisamment éclairée, c’est-à-dire placée assez près d’une source lumineuse. Le problème est que l’éclairement naturel ne suffit pas à la faire fonctionner. Il aurait fallu, pour une meilleure utilisation, plusieurs cellules photovoltaïques en parallèle afin d’additionner les intensités.

Hors atmosphère, l'énergie moyenne annuelle reçue par la terre est d'environ 5.5 kWh/m2 et par jour. En traversant l'atmosphère, le rayonnement solaire subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènes complexes d'absorption et de diffusion par les poussières et les aérosols. Ainsi, la couche d'ozone absorbe la majeure partie du rayonnement ultraviolet, tandis que la vapeur d'eau absorbe le rayonnement infrarouge. Le flux énergétique reçu au sol dépend ainsi de nombreux facteurs, et son maximum au sol ne dépasse guère 1000 W/m2.

En ramenant toutes les couches de l'atmosphère dans des conditions normales (p = 1013 mbar et T = 0°C ), on a défini une atmosphère standard d'épaisseur verticale moyenne de 7.8 km prise pour référence unité et formée de couches planes et stratifiées par les divers gaz comme l'azote (couche de 1650 m ), l'argon (74 m ), le gaz carbonique (24 m )... L'eau est représentée par une couche d'épaisseur variable de quelques dizaines de mètres pour la vapeur et de quelques centimètres pour le liquide.

Le rayonnement global au sol est donc fonction de la composition et de l'épaisseur de l'atmosphère traversée par les rayons lumineux au cours de la journée. Il se décompose en rayonnement direct et rayonnement diffus, et ce sont ces deux rayonnements qui sont exploités par les générateurs solaires.

Pour tenir compte de la position relative du soleil qui modifie l'épaisseur d'atmosphère traversée, on introduit un coefficient m appelé masse atmosphérique ou nombre d'air masse, défini par :

m = (p e ^{(-z/7.8)) / (1013 sin(A})) avec : p(N/m2) pression

z(km) altitude

Dans les conditions normales et au niveau de la mer, l'expression simplifiée suivante est utilisée : m = 1 / sin(A)

Ainsi, lorsque le soleil est au zénith, on dit qu'on a les conditions AM1 car les rayons lumineux traversent une atmosphère unité de 7.8 km (am1 : nombre Air Masse 1 car m = 1 / sin (90°) = 1 ). Avec un soleil à 30° sur l'horizon, on obtient les conditions AM2 (m = 1 / sin (30°) = 2 ). Hors atmosphère, à haute altitude, on définit les conditions AM0.

Ce nombre d’air masse sert donc à définir un spectre de référence pour calibrer les cellules étalons destinées à qualifier les performances des dispositifs photovoltaïques. Ainsi les conditions standard de qualification des cellules sont un spectre AM1.5, une puissance incidente de 1000 W/m2 et une température de 25°C ; sauf indication contraire, c’est pour de telles conditions que doivent être fournies les performances et spécifications d’un dispositif photovoltaïque donné.

La puissance d’un dispositif photovoltaïque se mesure en watt-crête. La production d’un panneau solaire dans des conditions optimales (c’est à dire à midi, par temps froid et en plein soleil, ce qui correspond à un maximum de 1000 W/m2 ) est donc fonction de nombreux facteurs à prendre en compte :

Si on considère qu’un panneau de 50 watt-crête produira 50 Watts pour chaque heure d’ensoleillement à 1000 W/m2, il produira plus ou moins la moitié ( 25 Watts chaque heure ) avec la moitié de lumière ( 500 W/m2). Avec des nuages minces, on peut atteindre des valeurs de 300 W/m2 avec la lumière diffuse. Dans des conditions météo très mauvaises avec des nuages épais et foncés ( 100 W/m2 ), le rendement ne sera plus que de 5 Watts par heure .

Cependant, il faut bien comprendre que le photovoltaïque marche aussi par temps couvert et à la lumière diffuse. Il est vrai que certains pays sont moins gâtés que d’autres, mais pas au point qu’on a tendance à le croire. Les pays les plus ensoleillés ne reçoivent pas plus du double de la quantité d énergie récupérable par le photovoltaïque dans les pays d’ Europe centrale par exemple.

Ce deuxième facteur varie selon les saisons. Lorsque le soleil est très haut dans le ciel ( en été ), les photons passent à travers la couche atmosphérique plus vite sur une distance plus courte que lorsqu’il est très bas dans le ciel ( en hiver ).

Ce facteur est celui qui pose le plus de problèmes pour les utilisateurs qui n’ont pas la chance d’habiter près de l’équateur, à cause de la grande différence entre le nombre d’heures de soleil selon les saisons.

Signalons en outre que le flux solaire reçu sur une surface dépend bien évidemment de l’orientation et de l’inclinaison de cette surface, mais aussi du degré de pollution ambiant.

On dispose généralement des relevés météorologiques au sol, notamment du flux global recueilli sur une surface horizontale, et de la durée journalière d’insolation. A partir des données précédentes, en première approximation pour des calculs rapides d’installation, on a divisé chaque continent en zones à potentiel solaire constant, caractérisées par un coefficient Wcr représentant la puissance crête du générateur photovoltaïque à installer pour obtenir 1 Wh par jour. Par exemple, ce coefficient est de 1 Wcr à Paris et de 0.34 dans le Sahara.

(cf/ cartes division France + Afrique)

Le rayonnement solaire, aussi bien direct que diffus, peut être converti directement en électricité, sous forme de courant continu, au moyen des photopiles, sans avoir besoin de recourir à un cycle thermodynamique . Les systèmes photovoltaïques sont donc particulièrement simples, puisque, à l’inverse des centrales électriques conventionnelles ou solaires, ils ne comportent ni fluides à haute température et sous pression, ni pièces tournantes, ni la nécessité de la présence d’une source froide consommant de l’eau.

L’installation, l’utilisation , l’entretien et la maintenance des systèmes sont relativement simples, et l’expérience acquise a montré qu’avec un minimum de formation initiale, aussi bien les utilisateurs que les petites et moyennes entreprises ou les artisans locaux chargés de l’installation, de l’entretien et de la maintenance s’approprient aisément cette technologie, aussi bien dans les pays industrialisés que dans les pays en développement. Par ailleurs, du fait de leur modularité, ces systèmes sont particulièrement bien adaptés à la production décentralisée d’électricité et à la fourniture de services énergétiques de base en sites isolés : électrification rurale ( pour les besoins domestiques et les besoins communautaires : centres de santé, écoles, etc…), pompage de l’eau , réfrigération, télécommunications, … Ils constituent donc une solution de choix pour les populations rurales des pays en développement qui ne pourront pas être reliés avant des années aux réseaux électriques conventionnels.

Cependant, si l’on compare les taux de conversion en électricité, les sources d’énergie conventionnelles semblent plus efficaces. Mais il faut considérer le fait que les énergies fossiles et le nucléaire gaspillent toutes les ressources non converties, alors que le soleil ne gaspille rien du tout.

Exemples de taux de rendement :

Pour les combustibles fossiles : 35 – 40 % (donc 60 – 65% gaspillés)

Pour l’énergie nucléaire : 28 – 30% (donc 70 – 72% gaspillés)

Ainsi, prenons l’exemple d’une centrale à pétrole qui a un taux de conversion de l’ordre de 40%. Pas moins de 60 % de cette ressource rare et polluante doit être exploitée, transportée, le plus souvent d’un bout de la terre à l’autre, et brûlée, tout en polluant à chaque étape, inutilement !

Le photovoltaïque, même avec un taux de conversion à l’heure actuelle de 10-12%, ne gaspille pas de ressources limitées.

Ainsi, il existe toute une gamme de petits appareils qui utilisent l’énergie photovoltaïque sans problèmes : montres, jouets, lumières de jardin, radios et même tondeuses solaires.

Un peu partout dans le monde, de plus en plus de personnes utilisent des installations solaires pour satisfaire à l’ensemble de leurs besoins. Rien qu’aux Etats-Unis, plus de 20000 ménages sont branchés sur le soleil ( dont plus de 4000 dans le seul état de Californie ).

Les participants aux Jeux Olympiques d’Atlanta en 1996 se promenaient dans les rues du complexe olympique illuminées à l’éclairage photovoltaïque. L’énergie solaire a également servi pour l’éclairage de la piscine olympique.

Malgré les espoirs initiaux suscités par les nombreux avantages potentiels de cette nouvelle source d’énergie électrique, celle-ci ne s’est pas imposée en dehors du domaine spatial, en raisons d’obstacles techniques, et surtout économiques. En effet, malgré des progrès significatifs, le coût du kilowattheure produit reste le plus souvent beaucoup plus élevé qu’avec les technologies lourdes classiques. Ainsi, en 1996, l’ensemble des installations photovoltaïques mondiales représente seulement environ 100 MW installés, que l’on peut comparer aux 1300 MW d’une seule tranche de centrale nucléaire.

Les améliorations recherchées sur les piles photovoltaïques portent principalement sur la durée de vie, la progression du rendement, la réduction de poids (primordiale pour les applications spatiales) et du coût, ce qui permettrait d’envisager le développement des applications terrestres.

En fait, l’énergie solaire est par nature une énergie répartie, ce qui constitue un handicap car sa densité, en moyenne de quelques kilowattheures par mètre carré est faible, mais aussi un atout que l’on peut mettre à profit dès que les distances rendent exorbitant l’installation et l’entretien d’un réseau de distribution d’énergie électrique à partir d’une unité de production centralisée. L’énergie solaire devient alors compétitive sur le long terme et la technologie photovoltaïque est aujourd’hui suffisamment mûre et maîtrisée pour prendre un véritable essor dans le domaine des applications de puissance sur sites isolés. Sont alors concernés les zones d’accès difficile des pays industrialisés, et , bien plus encore, les pays en voie de développement qui représentent un immense marché potentiel, car plus de deux milliards d’habitants du tiers-monde sont encore privés d’électricité.

Ainsi donc, le photovoltaïque est la plus jeune des énergies renouvelables, son industrialisation à une échelle significative n’a qu’une vingtaine d’années. Il faut donc stimuler son marché pour que l’industrie devienne compétitive, grâce à l’effet des grandes séries, bien connu pour la plupart des produits industriels, où les progrès technologiques et le développement des marchés se cumulent pour faire chuter les prix.

Retour à La page TIPE