TP : de la cellule photovoltaique au panneau solaire

T6S
2012
Thème C : Agir
TP : DE LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE AU
PANNEAU SOLAIRE
Doc 1 : Les matériaux semi-conducteurs
Les quatre électrons de valence du silicium permettent de former quatre liaisons covalentes avec
un atome voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer
un courant électrique.
Les semi-conducteurs intrinsèques :
Le diagramme énergétique est constitué de deux bandes (conduction et valence) séparé par une bande interdite.
Pour franchir cette bande l’électron doit acquérir de l’énergie (thermique, photon, …)
Élargissement des niveaux énergétiques des électrons de valence lorsque le nombre d'atomes rassemblés augmente
Les semi-conducteurs extrinsèques : Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce
procédé est appelé dopage.
Dopage de type N :
On remplace un atome de silicium par un atome pentavalent.
Quatre d’entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de
silicium et le cinquième resté disponible va être excité vers la
bande de conduction très facilement par l’agitation thermique.
D’où le nombre d’électron libre qui va fortement augmenter : dans
le nombre de trou est très inférieur au nombre d’électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif).
ce cas
Dopage de type P :
De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont
assurer les liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au
quatrième. Ce trou se déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un
courant.
Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal
intrinsèque, on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont
souvent du Bore.
Doc 2 : L'absorption des photons
• Si l'énergie E du photon est inférieure à la largeur de bande interdite, alors l'électron reste à sa place, et le photon prend une
autre direction; les photons sont dits déviés
• si E = Ws, alors l'électron est tout juste expulsé de l'espèce: les photons sont dits absorbés
• si E > Ws, alors l'électron est délogé.Les photons sont dits absorbés
Seuls les photons absorbés contribuent à l'effet photovoltaïque.
Doc 3 : La jonction PN
Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N.
Lors de cet assemblage les porteurs de charges libres
s’attirent et se recombinent dans la zone de jonction où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition.
Il ne reste donc plus que les ions dans cette zone qui vont créent un champ électrique
interne au niveau de la jonction et qui empêche les charges libres restantes dans
chaque zone de traverser la jonction pour se recombiner.
Le champ électrique alors formé par les différents dopages entraine les charges
électriques négatives générées vers la zone contenant des cations, la zone P.
En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons
d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un
électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une
paire électron-trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p
via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel : le courant électrique circule
Doc 4 : Type de cellules
Les cellules photovoltaïques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique. La plupart des cellules mesurent 10 cm²
et délivrent une tension maximale d’environ 0,6 V (0,46 V au point de fonctionnement nominal).
Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisée, les autres types étant encore soit en phase de
recherche/développement, soit trop chère et réservées à des usages où leur prix n'est pas un obstacle.
On distingue en outre, en fonction des technologies utilisées :
Cellule en silicium amorphe
La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".
avantages :
fonctionne avec un faible éclairement
moins chère que les autres technologies,
moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou polycristallines.
inconvénients : rendement faible en plein soleil, de 60Wc/m²,
performances qui diminuent sensiblement avec le temps.
Cellule en silicium monocristallin
Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.
avantage :
très bon rendement, de 150 Wc/m² ou plus (2007).
inconvénients : coût élevé,
rendement faible sous un faible éclairement.
Cellule en silicium multicristallin
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
bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m², mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin,
lingot moins cher à produire que le monocristallin.
inconvénient :rendement faible sous un faible éclairement.
Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport
qualité-prix).
Mais la technologie évolue rapidement, le prix du kWc (kilo-watt crête) étant beaucoup
plus important que le rendement du panneau : un rendement deux fois plus faible
signifie seulement qu'il faudra équiper deux fois plus de surface pour collecter la même
énergie, ce qui n'est gênant que si la surface disponible est limitée par rapport à la
puissance nécessaire (sur un satellite, par exemple...). Par conséquent, si une nouvelle
technologie permettait de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché,
elle aurait de bonnes chances de s'imposer.
Doc 5 : Association de cellules.
Lorsque l’on associe en série des cellules leur tension s’ajoute, lorsque l’on associe en parallèle des cellules leur courant
s’ajoute. Il faut savoir que lorsque l’une des cellules est affectée d’une gêne (ombre..) , tout le fonctionnement est perturbé.
La tension générée par une cellule est limitée à la valeur du gap de son matériau
On associe les cellules afin de pouvoir délivrer des tensions de 12V, 24 V, 48V.
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Expliquer succinctement le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.
Quel type de conversion effectue une cellule photovoltaïque ?
Vous disposez d’un module Solaire. En l’observant, déterminer le type de silicium utilisé.
Le module fournit-il une tension continue ou alternative ?
De combien de cellules est-il constitué ?
Comment sont associées ces cellules ? Proposer un protocole pour le vérifier et le réaliser.
Mesurer une cellule et calculer sa surface. Calculer la surface utile du module.
Mesurer pour deux éclairements la tension à vide de ce module ?
E
Uvide
(lux)
(V)
Lampe à
20 cm
Lampe à
40 cm
9. Comment varie la tension à vide en fonction de l’éclairement ?
10. Mesurer pour deux éclairements le courant de court-circuit de ce module ?
E
(lux)
Lampe à
20 cm
Lampe à
40 cm
Icc
(mA)
11. Comment varie le courant de court-circuit en fonction de l’éclairement ?
Réaliser le montage suivant :
12. La puissance absorbée par la cellule photovoltaïque correspond au produit de la puissance lumineuse
surfacique par la surface de la cellule photovoltaïque.
13. La puissance électrique P=UxI
14. Calculer le rendement  du panneau solaire est donné par la formule :
Données : 100 000 lux = 1 000 W/m2
Remarque : Il n'y a pas de facteur de conversion unique entre le lux (lumen/m²) et le Watt/m². Il y a des facteurs de
conversion différents pour chaque longueur d'onde, et ce n'est pas possible de faire une conversion sans connaitre la
composition spectrale de la lumière. On admet pour l’œil humain et pour la lampe utilisée, cela correspond au facteur égal
à K = 12 lm.W-1.