Rendement CPV

Défis solaire
Rendement CPV
Table des matières
1. Principe de fonctionnement..............................................................................................................2
1.1. L’interaction rayonnement / matière.........................................................................................2
1.2. Dopage et silicium....................................................................................................................2
2. Étude du rendement d’une CPV.......................................................................................................3
2.1. Influence de l'éclairement.........................................................................................................3
2.2. Influence de la longueur d'onde................................................................................................4
2.3. Influence de la température.......................................................................................................5
2.4. Influence de l’inclinaison..........................................................................................................6
2.5. Évolution de la tension en fonction de l’intensité.....................................................................7
2.6. Calcul du rendement...............................................................................................................10
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons),
produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant
obtenu est proportionnel à la puissance lumineuse incidente. La cellule photovoltaïque délivre une
tension continue.
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1. Principe de fonctionnement
Les photopiles sont des composants électroniques à semi- conducteur qui, lorsqu’ils sont éclairés
par le rayonnement solaire, développent une force électromotrice capable de débiter un courant dans
un circuit extérieur.
La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones
dopées différemment d’un même matériau (homo-jonction P-N) ou entre deux matériaux différents
(hétéro-structures), la moins épaisse étant soumise au flux lumineux. Chacune des régions est reliée
à une électrode métallique au moyen d’un contact ohmique de faible résistance. Le principe de
fonctionnement peut être décomposé en deux parties : l’absorption de photons et la collecte des
porteurs de charges créés.
1.1. L’interaction rayonnement / matière
La première étape de la conversion de la lumière en courant électrique est la génération au sein du
semi-conducteur des porteurs de charges que sont les électrons libres et les trous.
1.2. Dopage et silicium
Dans un semi-conducteur pur le nombre de porteurs étant faible à température ordinaire, la
conductivité est médiocre.
Le silicium a été choisi pour réaliser les cellules solaires photovoltaïques pour ses propriétés
électroniques, il est caractérisé par la présence de quatre électrons sur sa couche périphérique. Dans
le silicium solide, chaque atome est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche
périphérique participent aux liaisons.
Si un atome de silicium est remplacé par un atome ayant 5 électrons périphériques (phosphore par
exemple), un électron ne participe pas aux liaisons, il peut donc se déplacer dans le réseau. Il y a
conduction par un électron, et le semi-conducteur est dit dopé N.
Si au contraire un atome de silicium est remplacé par un atome ayant 3 électrons périphériques
(bore par exemple), il manque un électron pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut venir
combler ce manque. On dit alors qu’il y a conduction par un trou et le semi- conducteur est dit dopé
de type P.
L'interconnexion de modules entre eux - en série ou en parallèle - pour obtenir une puissance encore
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plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose
d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les
modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé aussi "Balance of System" ou
BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la
structure rigide (fixe ou mobile) pour poser les modules, le câblage, la batterie en cas de stockage et
son régulateur de charge, et l'onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif.
2. Étude du rendement d’une CPV
2.1. Influence de l'éclairement
Le lux est une unité de mesure de l'éclairement lumineux (symbole : lx). Il caractérise le flux
lumineux reçu par unité de surface.
Les mesures suivantes indiquent les valeurs de la tension et de l'intensité fournies par une CPV en
fonction de la luminosité.
Luminosité (lx) Tension (mV) Intensité ( mA)
000
200 1,05 0,02
300 1,63 0,03
400 2,3 0,04
600 3,2 0,06
800 4,5 0,09
1000 5,9 0,12
1500 8,4 0,16
2000 10 0,19
3000 13,7 0,27
4000 17,9 0,35
5000 21,7 0,42
6000 26,9 0,52
8000 35,2 0,68
10000 42,6 0,83
13000 54,1 1,05
15000 61,3 1,19
17000 65,1 1,24
20000 74,5 1,45
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Nous constatons sur la courbe que la puissance est proportionnelle au carré de la luminosité. La
relation Lux/Watt dépend en fait de la surface : 1 Lux = 1,5 mW/m².
2.2. Influence de la longueur d'onde
Le spectre visible est la partie du spectre électromagnétique visible pour l'œil humain, c'est-à-dire
une représentation de l'ensemble des composantes monochromatiques de la lumière visible.
Le spectre visible occupe la majeure partie de la fenêtre optique, une gamme des longueurs d'onde
qui sont facilement transmises par l'atmosphère terrestre. Cette région du spectre électromagnétique
recoupe celle où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre.
Longueur d'onde (nm) U (mV) I (μA)
380 0,15 0,3
403 0,19 0,4
427 0,33 0,7
450 0,37 0,7
473 0,55 1,1
497 0,6 1,2
520 0,75 1,5
543 0,83 1,7
567 0,92 1,8
576 0,98 2
585 1 2
590 0,98 2
595 1,01 2
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604 1,01 2
613 1 2
623 0,99 2
632 0,98 1,9
641 0,95 1,9
651 0,92 1,8
660 0,91 1,8
683 0,91 1,8
707 0,7 1,4
730 0,65 1,3
753 0,49 1
777 0,49 1
800 0,35 0,7
La puissance électrique fournie est plus importante dans le jaune. En effet, d’après le graphique ci
dessus, pour une lumière proche du orange- rouge (≈ 600 nm) la puissance électrique fournie est la
plus importante.
2.3. Influence de la température
La température a une influence sur le comportement de la cellule et donc sur son rendement. Cette
influence se traduit principalement par une diminution de la tension générée (et une très légère
augmentation du courant).
Suivant les modèles, ce comportement induit, par degré, une perte de 0.5 % du rendement par
rapport au rendement maximum de la cellule. On comprendra donc tout l’intérêt d’une ventilation
correcte à l’arrière des panneaux !
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