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Introduction au solairephotovoltaïque

Alain Straboni

Sté S’Tile SA - Pôle des Eco Industries

Poitiers

www.silicontile.com

Iut- Poitiers - Sept 2009

IUT PV Sept 2009

Objectifs du cours

• Connaître les principes de fonctionnement des composantsphotovoltaïques, en particulier les cellules à semi-conducteurs,

• Connaître les tendances en matière de technologie,matériaux, procédés et systèmes de production PVautonomes ou raccordé au réseau

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Le PV : au nord comme au suddes modules produisant du courant

sous le rayonnement solaire

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L’effet PV : une diode issue d’unmatériau semi-conducteur

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Plan

1. L’Energie solaire Photovoltaïque

2. Matériau semiconducteur et Cellulesolaire à jonction PN

3. Les procédés de fabrication

4. Cellules - panneau- systèmes photo-voltaïques

5. Conclusion et Perspectives dedéveloppement

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1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.1. Le gisement solaire

Le soleil est la principale source d'énergie pour l'atmosphère terrestre. Cette énergie

est issue de réactions de fusion thermonucléaire : H + H -> D . Elle n’est pas

équitablement distribuée mais elle est disponible partout sans nécessité de la transporter

.

l'énergie solaire* reçue par la Terre représente par an près de 15 000 fois

la totalité de la consommation énergétique mondiale actuelle !

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Associée pendant longtemps à un moyen de produire de l’énergie électrique

dans les zones reculées, les pays du Sud

Utilisation en pompage, réfrigération, petite électricité...

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Aujourd’hui en grand développement au nord ... Connecté au réseau

En toits, façades, ... Brises soleil.. Etc..

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PV Cellule/Module Production (1998-2008) en MW

From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.

1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.2. Etat de la production - tendances

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Top ten worldwide



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Tendances du marché



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1. L’énergie solaire photovoltaïque

1.3 - Principe

-1839 découverte par le physicien Becquerel de l’effet photovoltaïque,

l’énergie lunineuse peut se transformer directement en électricité.1883 : 1ère photopile -Charles Fritts 0,2%1954 : Des chercheurs (USA) créent une photopile de R = 6%

Plaque de cuivreoxydée

I

Contre-électrode

L’expérience de BecquerelUn phénomène photo-électrochimique

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Rendement de conversion 5 à 30 % suivant le matériau semi-conducteur et suivant la technologie utilisés

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1. L’énergie solaire photovoltaïque1.4 - Energie et Puissance d’une installation

Barrage hydroélectrique : débite masse m/seconde

Chaque seconde, au bas de la chute, une masse d’eau m

passe en transportant l’énergie mgh.

Soit une puissance P = mgh joules /1 seconde h

L’installation va débiter un nombre constant de Watt.

(1 Watt = 1 joule/seconde)

Si la chute d’eau tourne pendant une heure, on pourra évaluer la quantité d’énergie produite E = P. t

1 seconde

mgh mgh

1 seconde

P = E/ t en Watt

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1.4 - Energie et Puissance d’une installation

Pour une installation électrique on calculera une consommation d’énergie en multipliant la puissance P par le temps (en s) oumême en heure, on aura alors des Watt.heure (W.h).

V

Une tranche de centrale nucléaire de puissance 1500 MW vafournir une énergie annuelle égale au produit de sa puissancepar sa durée de fonctionnement.

1 seconde

I ampères I ampères

1 seconde 1000 Wh ou 1 kW.h est l’unité d’énergie choisie par EDF pour évaluer la consommation d’énergie

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1.4 - Energie et Puissance d’une installation

Une tranche de centrale nucléaire de puissance 1500 MW vafournir une énergie annuelle égale au produit de sa puissancepar sa durée de fonctionnement.

Puissance crête

Puissance électriqueFournie par unecellule ou unmodule PVpour une énergielumineuse reçue Standard AM 1.5

= 1000W/m2

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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire àjonction PN

La cellule semi-conductrice à jonction PN est composée de :

- pistes métalliques, de couches anti-reflet,

- et de semi-conducteurs dopés N et P

Vco sortie = 0,6 V

D’où vient cette tension, ce courant ?

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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN

2.1 Semi-concteurs et conducteurs

La cohésion du réseau cristallin (atomes ou ions fixes en jaune)

est assurée par l’interaction entre les ions positifs

et le nuage d’électrons libres (charges mobiles en bleu)!

Le métal

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2.1 Semi-concteurs et conducteurs

Dans les semi-conducteurs (Si, Carbone diamant..),les électrons sont

engagés dans des liaisons fortes avec les atomes, un Silicium partage

ses 4 électrons avec les Silicium voisins. Les électrons fortement liés

Aux atomes du réseau ne sont pas libres. semi-conducteur = isolant

Le semi-conducteur

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2.1 Bandes d’énergie!: conducteurs et semi-conducteurs

Les électrons dans les métaux ont toujours des niveaux libre dans

Lesquels ils se déplacent : bandes d’énergie autorisées.

Pour les semi-conducteurs Au dessus ... BANDE INTERDITE. !

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2.1 Bandes d’énergie!: conducteurs, isolants et semi-conducteurs

L’énergie du gap permet de distinguer les conducteurs, des semiconducteurs

et des isolants. Le gap est non existant dans les matériaux conducteurs.

Il vaut de l’ordre d’un eV ou d’une fraction d’eV pour les semi-conducteurs

et de l’ordre de 4 eV ou supérieur pour les isolants.

Semiconducteur ! Bande interdite (en eV) à 300°K ! ! !

C (diamant)! ! ! ! 5.47Si! ! ! ! ! ! 1.12Ge! ! ! ! ! ! 0.66SiC! ! ! ! ! ! 3.0GaAs! ! ! ! ! 1.43GaP! ! ! ! ! ! 0.67GaSb! ! ! ! ! 0.67InSb! ! ! ! ! ! 0.16InAs! ! ! ! ! ! 0.33InP! ! ! ! ! ! 1.29

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2.1 Bandes d’énergie!: conducteurs, isolants et semi-conducteurs

Par rapport aux matéraiux massifs cristallins, les semiconducteurs

en couches minces n’ont pas montré la même durée de vie - problème de stabilité.

(pb de certification à t > 25 ans).

Autres semi-conducteurs :

Famille des couches minces

• Si amorphe

• CdTe Tellure Cadmium

• CI(G)S : Cuivre Indium (Gallium) Selenium

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2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique

Si l ’énergie luminseuse (photon) est supérieure à l’énergie du gap, l’électron

peut avoir l’énergie suffisante pour passer dans la bande ce conduction ; on a

création d’un électron libre et d’un trou ; c’est la photo-conductivité.

Pour avoir un générateur photovoltaïque, il faudra la photo-génération de paires

électron-trou et il faudra créer une différence de potentiel ddp.

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Relation de conversion!: E (eV) = 1,24 eV/ !(µm)La lumière rouge émise par un laser Hélium-Néon par ex, a une longueur d’onde de 0,6 µm!; l’énergie d’un photon, environ 2 eV, suffit à créer

Des photo-porteurs dans le Si.

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Le silicium a une sensibilté spectrale qui lui permet d’absorber

une grande partie du rayonnement solaire.

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2.3 Dopage des semi-conducteurs

On a vu qu'un semi-conducteur pur est isolant.

On peut moduler la conductivité d’un semi-conducteur par dopage

On introduit certaines impuretés qui vont faire varier le

nombre de porteurs (électrons et trous) de plusieurs ordres de grandeur.

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2.3 Dopage des semi-conducteurs

Le phosphore pentavalent (Colonne V) après s’être substitué à un atome de silicium, et avoir formé 4 liaisons covalentes présente un électron célibataire. Dans le cas du Bore trivalent (Colonne III), le cortège élec--tronique présente un déficit. Cette absence d’électron s’appelle un trou.

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2.4 Jonction PN

La cellule PV est une

jonction PN Lorsqu’on met

en contact les régions P et N.

En l’absence de polarisation

et à l’obscurité, les trous de P

migrent vers N. (Inverse pour

les électrons).

A la jonction apparaît

un champ Electrique.

électrons

trous

Electrontrou

P N

NP

ZQN ZQN

ZCE

─ ─ + + + +

─ ─ + + + +

─ ─ + + + +

─ ─ + + + +

─ ─ + + + +

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2.4 Jonction PN

Il y a apparition d'un barrière d'énergie interne eVo (ou barrière de

potentiel Vo) qui est à l'origine de la jonction PN

Energ

ie E

(eV

)

eV0

distance x

Eg

EF

e.VO < Eg

Donc une fraction de Volt pour Si

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La tension de sortie d’une cellule à vide Vco = 0,6 V ; compte tenu des chutes de potentiel, en charge la contribution d’une cellule

dans un panneau chute en moyenne à 0,33 V

Génération de porteurs + Jonction = cellule PV

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2.4 Jonction PN

Caractéristique d’une diode à jonction PN

Pour V > 0 le courant passe Pour V < 0,6 V I tend vers 0

Sous éclairement un courant négatif apparait. La jonction génère un courant.

+I

I photo

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2.4 Jonction PNCaractéristiques d’un cellule solaire à jonction PN

Les caractéristiques d’une Cellule PV : Vco : tension de circuit ouvertIcc : courant de court-circuitPuissance max Facteur de remplissage : FF

Vco

Icc

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2.4 Jonction PN

Puissance d’un cellule solaire Dans la caractéristique I-V d’une Cellule PV :La Puissance passe parune Valeur maximumFacteur de remplissage :FF = Pmax/Voc.Icc

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2.4 Jonction PN

Influence de la Température

Si T augmente :I augmente, V diminueplus que ILa Puissance de sortiechute

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Abondant, bon marché, facile à préparer

• Constitue la base dessilicate, sous forme desable, quartz

• S’obtient par réduction deSiO2 : SiO2 + C -> Si + CO2

• Purification par distillationSiH4, SiHCl3

• Stable jusqu’à Tf: 1410°C(non vrai pour binaires,

ternaires AsGa, InP,


3.1 La filière silicium

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Du silicium à la plaquette

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La production de silicium : un boulotde chimistes

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Production métallurgique des lingots• Si multicristallin


3.1 La filière silicium

Creuset froid (source EMIX France)

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3.2 Fabrication de la cellule

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De la plaquette à la cellule et aumodule

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1. Texturation surface

2. Dopage N face avant

3. Dopage P face arrière

4. Couche Anti-reflet (couche bleue SiN:)

5. Metallisations (procédés type imprimerie)

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Caractéristiques

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Record surplaquette

125 x 125 mm2Publication Kyocera



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Les Records3. Les procédés de fabrication


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Performances de la cellule solaire

1. Réponse spectrale = sa réponse en courant suivant les longueursd’onde du rayonnement (UV, visible et IR)

2. Rendement = rapport de la puissance électrique rendue / puissancerecue du soleil se donne en % (pour 1 soleil)

3. Son coût : se donne en "/W



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La cellule semi-conductrice à jonction PNgénère une tension de <1 V et puissance voisinede 1 à 3 W, ne permet pas d’alimenter desappareils électriques (220V)

...au panneau photovoltaïque = ungd nombre de cellules en série

On relie entre elles un certain nombrede cellules pour obtenir un modulephotovoltaïque

4. Panneaux -Systèmes PV

4.1 Intégration des cellules

De la cellule solaire..

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Le panneau photovoltaïque4. Panneaux -Systèmes PV

4.2 Le panneau PV

• Fabrication

• semi-automatisée

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Le panneau photovoltaïque4. Panneaux -Systèmes PV

4.2 Le panneau PV - fiche technique

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Le panneau photovoltaïque


4.2 Le panneau PV

• Durée de vie Supérieure à 30 ans

• Perte de puissance après 25 ans :garantie moins de 10%

• Maintenance– électronique : aucune– mécanique : dépoussiérer

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4.2 Le panneau PV

• À Poitiers : 1200 kWh/kWc

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4.2 Le panneau PV

Prix du module par rapport à l’ensemble

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4. Panneaux -Systèmes PV 4.3 Les systèmes PV

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Deux grandes options pour le solaire PV

• L’habitat dispersé

• La connexion au réseau


4.3 Les systèmes PV

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le solaire PV autonome

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Le problème du photovoltaïque autonome : Il faut stocker l’énergie pourson utilisation qd le soleil

faiblit... Comment ?

1. Le plus courant :Stockage sur batterie,

2. Ou transformer l’énergieélectrique en une autreénergie (voir filière H2)

3. Déplacer le problème dustockage (sur le réseau parex)

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Le photovoltaïque autonome pour le pompage de l’eau

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le solaire PV connecté au réseau

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L’intégration àl’architecture

urbaine : systèmede suivi

(PV conf. Dresden 2006)

IUT PV Sept 2009

L’intégration à l’architecture urbaine :système de suivi (PV conf. Dresden 2006)

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L’intégrationaux

batiments

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Les autres variantes du PV : Les grossescentrales


-Sur les gros édifices en haute tension connectée au réseau,

-Dans les zones désertiques avec production H2 par hydrolyse,

-Les centrales PV à concentrations (ex parabole + cellule PV)

-

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Quel devenirpour lafilière

solaire PV ?

5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV

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La plus grosse centrale PV : Bavariasolarpark Allemagne

http://www.notre-planete.info/actualites/actu_687.php

-Inaugurée en 07-2005- 250.00 m2 de panneaux- 10 MW

- la prochaine : Portugal - Pour 2009, 62 MW,- 350.00 m2 de panneaux- 250 MEuros

IUT PV Sept 2009

5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV

IUT PV Sept 2009Et à l’avenir ...Quel rendement ? quel prix?

5. Perspectives de développement 5.2 Le coût du kWh

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Source: European Commission, DG Joint Research Centre

CompétitivitéCompétitivitéPrix de l’électricité solaire pour

petits producteurs PV

systèmes < 5 kWc

• system costs: 6 " /Wc

• capital investment payback time:

20 years

• interest rate: 4%

• inflation: 2%

• yearly maintenance costs 1% of

the investment

• mounting at an optimum angle

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Le retour sur investissement

http://www.encyclo-ecolo.com/Photovolta%C3%AFque#Tarif_de_rachat_de_l.27.C3.A9lectricit.C3.A9_issue_de_panneaux_solaires_2009

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European Market Support Programs

plannedGreece

100 / 3002044 - 49Italy

I, Tlifetime28 – 51Portugal

Cap

[MW]

Duration

[a]

Tariff

["ct/kWh]

complicated-2015 – 30France

I, T3002522 – 40Spain

-2048 – 62Germany

other support programs

(I: Investment subsidy

T: Tax reduction)

Feed-in law

Country

80

Good progress in Europe for market acceleration !

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[%]

1 marine

2 geothermal

3 biomass

4 hydro

5 wind

6 solar thermal

7 PV solar

electricity

Source: Own estimates together with data from EREC /11/ and WBGU /12/

Contribution of PV solar electricityto global electricity production in 2040 36,000 TWh

2001

… 2040

ww electricity

81

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 6 7

5. Perspectives de développement

IUT PV Sept 2009

IUT PV Sept 2009

Conclusion

Une technologie qui progresse rapidement :- en Rendement et,- réduction de ses coûts de production

Un marché en peine croissance, A la suite des marchésAllemands et Espagnols, Le marché français décollegrâce aux subventions

La parité au réseau est atteinte dans certaines régions du monde, elle le sera Aussi en France en commençant par les zones Sud.

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