A Présentation
La conversion photovoltaïque est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel.
Une cellule photovoltaïque est un très mince disque de silicium monocristallin. On dope cette cellule avec des atomes de bore et de phosphore pour former 2 zones superposées (n) et (p). En soumettant la cellule au rayonnement solaire, une tension de l'ordre de 0,6 V apparaît entre ces zones.
Les photons incidents, entrant en collision avec les atomes de la cellule, lui cèdent leur énergie. Il apparaît un mouvement de charges électriques (d'électrons en l'occurrence) permettant la circulation d'un courant électrique dans un récepteur branché aux bornes de la cellule.
Cellule photoélectrique
On définit :
l'irradiation solaire, exprimée en watt par m2 (W.m–2) : c'est la puissance solaire disponible par unité de surface sur le plan de la cellule ;
le courant crête, exprimé en ampère-crête (Ac) : c'est le courant maximum que peut délivrer la cellule soumise à l'irradiation maximale ;
la puissance crête, exprimée en watt-crête (Wc) : c'est la valeur maximale de la puissance électrique délivrée par la cellule soumise à l'irradiation maximale ;
le rendement η (« éta ») de conversion : c'est le rapport de la puissance électrique délivrée sur la puissance reçue (pour une même surface).
Il existe 3 types de cellules photovoltaïques de rendements variables suivant la méthode de fabrication :
les cellules monocristallines : le rendement est correct (15 à 20 %) mais le coût de fabrication est élevé ;
les cellules polycristallines : constituées de plusieurs cristaux, elles sont moins chères à fabriquer et le rendement est un peu moins bon (10 à 12 %) ;
les cellules amorphes : leur coût est faible et le rendement l'est aussi (5 à 10 %).
En plein soleil, correspondant à une irradiation de 1 000 W par m2 (en été au sud de la France), une cellule de bonne qualité peut délivrer une densité de courant de l'ordre de J = 3 A.dm–2 soit 300 A par mètre carré. La densité de courant J est égale au quotient du courant délivré par la surface (A.m–2).
B Le rendement d'une conversion photovoltaïque
Montage électrique pour l'étude de la cellule
Les panneaux photovoltaïques sont des convertisseurs d'énergie, transformant l'énergie lumineuse en énergie électrique et en énergie thermique. Dans le cas d'un panneau photovoltaïque, seule l'énergie électrique est recherchée.
Il est possible de mesurer les caractéristiques d'une cellule photovoltaïque, en la plaçant comme un générateur de tension et en l'éclairant par une source de lumière blanche. La distance entre la cellule et la lampe ainsi que l'orientation de la cellule sont fixées afin d'avoir toujours le même éclairement E (mesuré avec un luxmètre).
La résistance variable permet de faire varier l'intensité I (mesurée avec un ampèremètre). Le voltmètre placé en dérivation mesure la valeur de la tension U aux bornes de la cellule photovoltaïque.
On obtient le graphe de l'intensité I en fonction de la tension U (courbe rouge). On peut alors calculer la puissance P = U × I et tracer le graphe P en fonction de la tension U (courbe bleue). On remarque que la puissance est maximale pour un couple de valeur U et I : c'est la puissance électrique maximale Pélec.
Évolution de l'intensité et de la puissance électriques en fonction de la tension aux bornes de la cellule
Le rendement est alors η = .