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FONCTIONNEMENT DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES 

La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de deux couches de silicium :    

                         - Une première couche dopée P avec du bore, les porteurs de charges positifs y sont majoritaires

                         - Une seconde couche dopée N avec du phosphore, où les porteurs de charges négatifs y sont majoritaires

 On distingue donc uns couvhe positive et une couche négative.

 

Il existe 3 types de cellules photovoltaïques, qui varient selon la qualité (pureté) du silicium :

 

 

 

1- Les cellules monocristallines :

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.                                                                         Wc=watt crête. Caractérise la puissance d’un panneau photovoltaïque.

  • Avantages :

    • bon rendement, de 14 % à 16 % (~150 Wc/m2) 

    • nombre de fabricants élevé.

  • Inconvénients :

    • coût élevé 

    • rendement plus faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus 

    • baisse du rendement quand la température augmente.

                                                 

  2- Les cellules polycristallines :

Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

  • Avantages :

    • cellule carrée (à coins arrondis dans le cas du Si monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module,

    • bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m2 (voire plus), mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin

    • rendement de 9 à 11 %

    • lingot moins cher à produire que le monocristallin

  • Inconvénient :

    • rendement faible sous un faible éclairement ou soleil diffus

 

  3-Les cellules amorphes :

Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôts sous vide, à partir de plusieurs gaz, une des techniques les plus utilisées étant la PECVD. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ».

  • Avantages :

    • fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel de 20 à 3000 lux),

    • un peu moins chère que les autres techniques,

    • intégration sur supports souples ou rigides.

  • Inconvénients :

    • rendement faible en plein soleil, de 5 % à 7 %,

    • nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m² plus faible, environ 60 Wc/m2),

    • performances qui diminuent avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3-6 mois), pour se stabiliser ensuite (-10 à 20 % selon la structure de la jonction).

 

               Quand on superpose la couche de silicium dopée P et la couche de silicium dopée N, les électrons en excès dans la couche N proches de la couche P vont migrer pour combler les trous en excès de la couche P. De cette façon, on obtient une Liaison PN électriquement neutre, qui agit comme une sorte de barrage entre les électrons de la couche N et les trous de la couche P.

 

Coupe d'un panneau solaire.

La couche supérieure est dopée N et la couche inférieur est dopée P

Formation d'une liaison PN par jonction des couches P et N

Notons que le fonctionnement de ces trois types de cellules est similaire.

               Lorsqu’un photon est absorbé par le semi-conducteur (le silicium en l’occurrence), il donne naissance une nouvelle paire électron-trou. Pour obtenir un courant électrique, les charges positives et négatives doivent être séparées puis attirées vers l’extérieur. C’est à ce moment qu’intervient la liaison PN (positif négatif) : c’est elle qui va bloquer les électrons dans la zone N et donc séparer les charges.  Les porteurs de charges sont ensuite collectés par l’intermédiaire d’une grille, qui fait office d’anode, et sont réintroduits dans la cellule par une cathode, après avoir circulé dans le circuit électrique. Cette excitation des électrons existant tant que la cellule reçoit des photons, on obtient alors un courant électrique continu d’environ 0.5V entre ces électrodes tant que la cellule est exposée à la lumière.             

 

Expérience :

 

Nous avons mené notre expérience en utilisant des cellules photovoltaïques polycristalline, et la lumière du soleil a été figurée par la lumière d'un rétroprojecteur, afin que nous puissions la contrôler.

 

 

Matériel:

 

  • Deux cellules photovoltaïques polycristallines

  • Un rétroprojecteur

  • Un voltmètre

  • Un moteur, relié à une roue

  • Des fils conducteurs

 

 

Protocole:

 

  • On branche les cellules photovoltaïques au voltmètre et au moteur, puis on les relie entre elles.

  • On allume le rétroprojecteur, puis on l'éteint, tout en observant les valeurs de tensions mesurées par le voltmètre.

 

 

 

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