Gisement solaire, cellules, modules et champs de - Fun-Mooc

CYTHELIA sarl
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SARL au capital de 140 000 €. RCS Chambéry: B 393 290 937
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Les convertisseurs photovoltaïques
Gisement solaire,
cellules, modules et champs de modules
European Master in Renewable Energy
Alain Ricaud, Valbonne, Oct 2012
Métal
conducteur
Grille
conductrice
Silicium
type n
Jonction
Silicium
type p
Lumière
incidente

Alain Ricaud, Valbonne, Oct 2012, European Master in Renewable Energy page 2

Alain Ricaud, Valbonne, Oct 2012, European Master in Renewable Energy page 3
SOMMAIRE
LES CONVERTISSEURS PHOTOVOLTAÏQUES ...........................................................6
1 GISEMENT SOLAIRE ......................................................................................................7
1.1 Unités photométriques .........................................................................................7
1.2 Grandeurs liées à l’éclairement solaire ...............................................................7
1.2.1 Durée d’insolation : .............................................................................................................................. 7
1.2.2 Irradiation : .......................................................................................................................................... 7
1.2.3 Fraction solaire : ................................................................................................................................... 8
1.2.4 Rayonnement diffus :............................................................................................................................ 8
1.2.5 Absorption par l'atmosphère: ................................................................................................................ 9
1.2.6 Epaisseur d’atmosphère : .................................................................................................................... 10
1.2.7 Albédo : ............................................................................................................................................. 11
1.2.8 Rayonnement global : ......................................................................................................................... 11
1.2.9 Constante solaire et repartition sperctrale : .......................................................................................... 11
1.3 Profils types d’irradiations mensuelles .............................................................. 13
1.3.1 Lille (lat : 51°) .................................................................................................................................... 13
1.3.2 Chambéry (lat 46°) ............................................................................................................................. 13
1.3.3 Ajaccio (lat 42°) ................................................................................................................................. 14
1.4 Masques ............................................................................................................ 15
1.4.1 Masque géographique lointain ............................................................................................................ 16
1.4.2 Les masques proches .......................................................................................................................... 16
2 LA CONVERSION PHOTON-ELECTRON .......................................................................... 18
2.1 Sensibilité spectrale d'un récepteur ................................................................... 18
2.2 Flux d'énergie et flux de photons ....................................................................... 19
2.3 Interaction rayonnement-matière ...................................................................... 20
2.4 Notion de paire électron-trou ............................................................................ 21
3 LA CELLULE SOLAIRE IDEALE ..................................................................................... 22
3.1 Mécanismes élémentaires .................................................................................. 22
3.1.1 Absorption ......................................................................................................................................... 22
3.1.2 Séparation .......................................................................................................................................... 22
3.2 Absorption du rayonnement dans le matériau .................................................... 24
3.2.1 Transitions directes et indirectes ......................................................................................................... 25
3.3 Calcul du courant .............................................................................................. 26
3.4 Calcul de la tension ........................................................................................... 27
3.5 Calcul du rendement ......................................................................................... 28
4 LA PHOTODIODE A SEMI-CONDUCTEUR ....................................................................... 29
4.1 Rôle des défauts et des impuretés ...................................................................... 29
4.1.1 Donneurs ........................................................................................................................................... 29
4.1.2 Accepteurs ......................................................................................................................................... 29
4.2 Structure de collecte .......................................................................................... 30
4.2.1 Jonction PN ........................................................................................................................................ 31
4.2.2 Barrière de potentiel ........................................................................................................................... 32
4.2.3 Application d'un potentiel externe ....................................................................................................... 33
4.2.4 Collecte.............................................................................................................................................. 34
4.3 Génération du photo-courant ............................................................................ 34
4.3.1 Description qualitative ........................................................................................................................ 35
4.4 Caractéristique I = f (V) .................................................................................... 38
4.5 Localisation des pertes ...................................................................................... 39
4.5.1 Cellules à haut rendement ................................................................................................................... 42

Alain Ricaud, Valbonne, Oct 2012, European Master in Renewable Energy page 4
4.6 Schéma équivalent ............................................................................................. 45
4.6.1 Générateur de courant ......................................................................................................................... 45
4.6.2 La photopile, générateur mixte ............................................................................................................ 45
4.6.3 Influence de l'éclairement ................................................................................................................... 47
4.6.4 Influence de la température ................................................................................................................. 48
4.6.5 Perte de puissance par résistance série ................................................................................................. 49
4.6.6 Influence de la conductance shunt ....................................................................................................... 50
4.7 Modélisation et caractéristique dans l'obscurité ................................................ 51
4.7.1 Courant d’obscurité ............................................................................................................................ 51
4.7.2 Modélisation ...................................................................................................................................... 54
4.8 Technologies de cellules .................................................................................... 55
4.8.1 Typologie ........................................................................................................................................... 55
4.8.2 Procédé de fabrication des modules au silicium cristallin ..................................................................... 56
4.8.3 Procédé de fabrication de modules en couches minces ......................................................................... 60
4.9 Production mondiale ......................................................................................... 62
4.9.1 Par pays ............................................................................................................................................. 63
4.9.2 Par technologie ................................................................................................................................... 65
5 LE MODULE PHOTOVOLTAÏQUE ................................................................................... 68
5.1 Le groupement de cellules en série .................................................................... 68
5.2 Le groupement de cellules en parallèle .............................................................. 69
5.3 L'encapsulation des cellules .............................................................................. 69
5.3.1 Modules au silicium cristallin ............................................................................................................. 69
5.3.2 Modules en couches minces ................................................................................................................ 70
5.4 Notion de puissance crête et de température d'utilisation .................................. 71
5.4.1 Puissance STC ................................................................................................................................... 71
5.4.2 TUC................................................................................................................................................... 71
5.4.3 Puissance NOCT ................................................................................................................................ 72
5.4.4 Température de fonctionnement .......................................................................................................... 72
5.4.5 Modules intégrés au bâti ..................................................................................................................... 72
5.5 Le test des modules ............................................................................................ 72
5.6 Mesures sur le terrain ....................................................................................... 73
6 STANDARDS, CERTIFICATIONS .................................................................................... 74
6.1 Standards .......................................................................................................... 74
6.2 Vieillissement accéléré ...................................................................................... 74
6.3 La certification des modules .............................................................................. 75
6.3.1 Listes des laboratoires européens habilités à réaliser les tests de certifications IEC................................ 75
6.4 Garanties .......................................................................................................... 76
7 LE CHAMP DE MODULES PHOTOVOLTAÏQUES ............................................................... 77
7.1 Les déséquilibres dans les groupements de modules .......................................... 77
7.1.1 La photopile fonctionnant en récepteur ................................................................................................ 78
7.1.2 Déséquilibre dans un groupement série................................................................................................ 78
7.1.3 Déséquilibre dans un groupement parallèle .......................................................................................... 80
7.2 Règles d'installations des champs de panneaux ................................................. 82

Gisement solaire
Alain Ricaud, Valbonne, Oct 2012, European Master in Renewable Energy page 5
Alain RICAUD
Gérant de CYTHELIA, Président de SCREEN SOLAR,
Professeur Associé à l’Université de Savoie. [e-mail]
Biographie
Né en 1947. Marié, 3 enfants, 3 petits enfants.
Ingénieur de l’Ecole Supérieure d’Electricité, Docteur es-Sciences et MBA – ICG Paris.
Début de carrière en tant qu’ingénieur process chez IBM-France La Gaude et chercheur au
Laboratoire d’Electro-optique de Nice sur le silicium et ses propriétés électro-optiques.
En 1979, Alain Ricaud devient Directeur Général de la société France-Photon à
Angoulême (30 personnes) l’un des premiers producteurs de cellules et modules
photovoltaïques. Il contribue à la construction des premières centrales PV de démonstration
en Corse (50 kW), Crête, Guyane française et Pakistan.
En 1985, il est R&D Director puis General Manager de Solarex corp. (400 personnes),
à Washington, filiale du groupe Amoco et n°2 mondial de l’industrie photovoltaïque.
A partir de 1989, il est Directeur Général de Solems SA (48 personnes), à Palaiseau,
joint venture des groupes TOTAL et MBB, où il développe des dispositifs électro-optiques en
couches minces pour photopiles au silicium amorphe et applications aux écrans plats.
Entre 1995 et 1996, il est Directeur commercial de HCT Shaping Systems SA, à
Lausanne, leader mondial des machines de sciage à fil pour l’industrie PV et des semi-
conducteurs.
Depuis sa création en 1994, Alain Ricaud est Consultant-associé et gérant majoritaire
de CYTHELIA consultants, sarl de 11 associés et 12 employés. CYTHELIA est un cabinet
d’expertise et de conseil en nouvelles technologies de l’énergie, spécialisé dans le
photovoltaique (stratégie, technologie, marchés) et les bâtiments à énergie positive.
Nombreuses missions de conseil auprès d'entreprises industrielles et de collectivités
désireuses d'intégrer une activité dans le domaine photovoltaïque.
Alain Ricaud a enseigné, à l’EPFL Lausanne, au Master ENSAM Bastia, au Master La
Rochelle, au Master européen de l’Ecole des Mines à Sophia-Antipolis, au Master Mat’ERE
de Poitiers, au Master CEDER de Versailles, au CIFRES de Dakar, à l’ASDER, à l’Ecole
Centrale de Lyon et à l’INES.
Il est actuellement Professeur Associé à l’Université de Savoie (Polytech’ Savoie).
Expert auprès de l’ANR et d’OSEO, ainsi que des DG TREN et DGR, de l’UE.
Titulaire de 6 brevets d’invention
Editeur de « La Lettre du Solaire », publication mensuelle depuis Oct 2000.
Auteur de 20 publications internationales et de trois ouvrages :
« Photopiles solaires » paru aux PPUR, Lausanne 1997
« Modules photovoltaïques en couches minces », Techniques de l’Ingénieur, Paris 2005.
« Construire une maison à énergie positive », Dunod, Paris, Oct 2010.