Semi-conducteurs et Cellules Photovoltaïques : Cours

1- Semi-conducteur
Les semi-conducteurs sont des éléments qui conduisent le courant électrique sous certaines
conditions. On distingue deux types de semi –conducteurs : intrinsèques et extrinsèques.
Les semi-conducteurs intrinsèques ne sont pas dopés autrement dit ils sont purs alors que ceux
extrinsèques sont dopés pour créer un déficit (dopé P) ou un excès (dopé N) d’électrons.
De plus, pour que ces semi-conducteurs puissent conduire il faut qu’il ait un apport extérieur
(solaire, agitation thermique,…).
Exemple de semi-conducteur : Silicium(Si), Germanium(Ge), Phosphure Gallium(GaP)
Liste de matériaux semi-conducteurs — Wikipédia
Dans notre cas nous allons nous intéresser au silicium.
La théorie des bandes expliquent le comportement des semi-conducteurs : il existe une bande de
valence et une bande de conduction séparées par une bande interdite appelé aussi gap.
Théorie des bandes — Wikipédia
Le silicium se situe sur la quatrième colonne et la troisième ligne du tableau périodique. Il a
quatre électrons de valence. Pour pouvoir le doper en N on crée un excès d’électrons en
insérant un élément ayant 5 électrons de valence comme le Phosphore. De même, on crée un
déficit d’électrons en insérant le Bore ayant 3 électrons de valence pour réaliser le dopage P.
Semi-conducteur — Wikipédia
La mise en contact de deux siliciums dopés P et N permet de faire une jonction PN. Cette
jonction PN, lorsqu’elle est mise sous un rayonnement solaire produit du courant électrique d’où
le principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques.
affiche_infographie_cea_cellules-photovoltaïques.pdf

2- Cellules Photovoltaïques
Une cellule est aussi appelée photopile. Elle est composée d’une mince couche d’un métal
semi- conducteur en général le silicium, traité pour convertir la lumière en électricité.
On appelle panneau l’ensemble des cellules photovoltaïques.
Constitution :
Une couche anti –reflet qui permet une pénétration maximale des rayons solaires ;
Une grille cathode sur le dessus et un métal anode sur le dessous ;
le semi-conducteur (Si).

Lorsque les cellules solaires sont soumises au rayonnement solaire, les photons d’énergie hF
pénètrent dans les cellules pour transférer leurs énergies aux atomes de la jonction. Lorsque
cette énergie est suffisante , elle peut faire les électrons de la bande de valence à la bande
de conduction . De plus , lorsqu’une charge est connectée aux bornes de la cellule les
électrons de la zone N rejoignent la zone P d’où la naissance d’une différence de tension et
d’un courant électrique .
Types de cellules :
Les cellules photovoltaïques se diffèrent selon leurs rendements et leur coûts.
les principaux cellules utilisées sont : les cellules monocristallines , polycristallines et silicium
amorphe .
Les cellules monocristallines sont fabriquées à partir d’un seul cristal et sont donc très
résistants. Ils sont de couleur bleu ou gris uniforme.
Les cellules polycristallines sont fabriquées à partir de plusieurs de cristaux. Ils sont de
couleur bleu mais non uniforme.
Les cellules en silicium amorphe contiennent peu de silicium et sont moins performants. Ils
sont de couleur brun.
Type
Rendement
Durée de vie
Particularités
Monocristallin
15-24%
~30 ans
Performant par faible
luminosité
Polycristallin
13-18%
~30 ans
Bonne résistance à la
chaleur
Amorphe
~7%
~10 ans
Flexible et léger
Durée de vie d’un panneau solaire et photovoltaïque en 2022
Remarque :
Il faut bien faire la différence entre panneau solaire et panneau photovoltaïque. Un
panneau solaire transforme l'énergie solaire en chaleur. On l'utilise pour avoir de
l'eau chaude sanitaire et pour certains cas de chauffage domestique. Un panneau
photovoltaïque transforme la lumière du soleil en électricité.
Panneaux solaire ou photovoltaiques, quelles sont les différences ?

Modèle Mathématique :
Iph : Courant généré par l’éclairement ou photo courant.
Id : Courant dans la diode
Rs : Résistance Série modélise les pertes du matériau
Rsh : Résistance Shunt les courants parasites qui traversent la cellule
La cellule photovoltaïque
Le courant de court-circuit Icc pour lequel V=0.
La tension en circuit ouvert Vco pour laquelle I=0.
La puissance maximale Pm.
Le facteur de forme F.F.
Association des cellules :
Les cellules photovoltaïques peuvent être associés en série ,parallèle ou mixte.
Lorsqu’elles sont en séries la tension augmente mais le courant reste le même, en
parallèle le courant augmente mais la tension est la même, en mixte (série et
parallèle) le courant et la tension augmentent.

Remarques :
-La température et l’éclairement influent sur le courant et sur la tension. La
température a un impact négative sur la tension autrement dit si la température
augmente la tension diminue alors que le courant augmente, ce qui est qui est à
l’origine de la diminution de la puissance. De même l’éclairement augmente le
courant et la tension.
-Lors d’un ombrage pour éviter des points chauds on utilise des diodes by-pass pour
que le courant puisse contourner les cellules photovoltaïques.
Lien pour une explication détaillée des systèmes PV : Conception d'une installation
photovoltaïque raccordée au réseau
Système Photovoltaïque : Chapitre 5: Capteurs solaires photovoltaïques: .
Composants d’un système photovoltaïque