Introduction au solairephotovoltaïque
Alain Straboni
Sté S’Tile SA - Pôle des Eco Industries
Poitiers
www.silicontile.com
Iut- Poitiers - Sept 2009
IUT PV Sept 2009
Objectifs du cours
• Connaître les principes de fonctionnement des composantsphotovoltaïques, en particulier les cellules à semi-conducteurs,
• Connaître les tendances en matière de technologie,matériaux, procédés et systèmes de production PVautonomes ou raccordé au réseau
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Le PV : au nord comme au suddes modules produisant du courant
sous le rayonnement solaire
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L’effet PV : une diode issue d’unmatériau semi-conducteur
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Plan
1. L’Energie solaire Photovoltaïque
2. Matériau semiconducteur et Cellulesolaire à jonction PN
3. Les procédés de fabrication
4. Cellules - panneau- systèmes photo-voltaïques
5. Conclusion et Perspectives dedéveloppement
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1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.1. Le gisement solaire
Le soleil est la principale source d'énergie pour l'atmosphère terrestre. Cette énergie
est issue de réactions de fusion thermonucléaire : H + H -> D . Elle n’est pas
équitablement distribuée mais elle est disponible partout sans nécessité de la transporter
.
l'énergie solaire* reçue par la Terre représente par an près de 15 000 fois
la totalité de la consommation énergétique mondiale actuelle !
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1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.1. Le gisement solaire
Associée pendant longtemps à un moyen de produire de l’énergie électrique
dans les zones reculées, les pays du Sud
Utilisation en pompage, réfrigération, petite électricité...
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1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.1. Le gisement solaire
Aujourd’hui en grand développement au nord ... Connecté au réseau
En toits, façades, ... Brises soleil.. Etc..
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PV Cellule/Module Production (1998-2008) en MW
From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.
1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.2. Etat de la production - tendances
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Top ten worldwide
From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.
1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.2. Etat de la production - tendances
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Tendances du marché
From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.
1. L’Energie solaire Photovoltaïque1.2. Etat de la production - tendances
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1. L’énergie solaire photovoltaïque
1.3 - Principe
-1839 découverte par le physicien Becquerel de l’effet photovoltaïque,
l’énergie lunineuse peut se transformer directement en électricité.1883 : 1ère photopile -Charles Fritts 0,2%1954 : Des chercheurs (USA) créent une photopile de R = 6%
Plaque de cuivreoxydée
I
Contre-électrode
L’expérience de BecquerelUn phénomène photo-électrochimique
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Rendement de conversion 5 à 30 % suivant le matériau semi-conducteur et suivant la technologie utilisés
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1. L’énergie solaire photovoltaïque1.4 - Energie et Puissance d’une installation
Barrage hydroélectrique : débite masse m/seconde
Chaque seconde, au bas de la chute, une masse d’eau m
passe en transportant l’énergie mgh.
Soit une puissance P = mgh joules /1 seconde h
L’installation va débiter un nombre constant de Watt.
(1 Watt = 1 joule/seconde)
Si la chute d’eau tourne pendant une heure, on pourra évaluer la quantité d’énergie produite E = P. t
1 seconde
mgh mgh
1 seconde
P = E/ t en Watt
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1. L’énergie solaire photovoltaïque
1.4 - Energie et Puissance d’une installation
Pour une installation électrique on calculera une consommation d’énergie en multipliant la puissance P par le temps (en s) oumême en heure, on aura alors des Watt.heure (W.h).
V
Une tranche de centrale nucléaire de puissance 1500 MW vafournir une énergie annuelle égale au produit de sa puissancepar sa durée de fonctionnement.
1 seconde
I ampères I ampères
1 seconde 1000 Wh ou 1 kW.h est l’unité d’énergie choisie par EDF pour évaluer la consommation d’énergie
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1. L’énergie solaire photovoltaïque
1.4 - Energie et Puissance d’une installation
Une tranche de centrale nucléaire de puissance 1500 MW vafournir une énergie annuelle égale au produit de sa puissancepar sa durée de fonctionnement.
Puissance crête
Puissance électriqueFournie par unecellule ou unmodule PVpour une énergielumineuse reçue Standard AM 1.5
= 1000W/m2
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire àjonction PN
La cellule semi-conductrice à jonction PN est composée de :
- pistes métalliques, de couches anti-reflet,
- et de semi-conducteurs dopés N et P
Vco sortie = 0,6 V
D’où vient cette tension, ce courant ?
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.1 Semi-concteurs et conducteurs
La cohésion du réseau cristallin (atomes ou ions fixes en jaune)
est assurée par l’interaction entre les ions positifs
et le nuage d’électrons libres (charges mobiles en bleu)!
Le métal
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.1 Semi-concteurs et conducteurs
Dans les semi-conducteurs (Si, Carbone diamant..),les électrons sont
engagés dans des liaisons fortes avec les atomes, un Silicium partage
ses 4 électrons avec les Silicium voisins. Les électrons fortement liés
Aux atomes du réseau ne sont pas libres. semi-conducteur = isolant
Le semi-conducteur
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.1 Bandes d’énergie!: conducteurs et semi-conducteurs
Les électrons dans les métaux ont toujours des niveaux libre dans
Lesquels ils se déplacent : bandes d’énergie autorisées.
Pour les semi-conducteurs Au dessus ... BANDE INTERDITE. !
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.1 Bandes d’énergie!: conducteurs, isolants et semi-conducteurs
L’énergie du gap permet de distinguer les conducteurs, des semiconducteurs
et des isolants. Le gap est non existant dans les matériaux conducteurs.
Il vaut de l’ordre d’un eV ou d’une fraction d’eV pour les semi-conducteurs
et de l’ordre de 4 eV ou supérieur pour les isolants.
Semiconducteur ! Bande interdite (en eV) à 300°K ! ! !
C (diamant)! ! ! ! 5.47Si! ! ! ! ! ! 1.12Ge! ! ! ! ! ! 0.66SiC! ! ! ! ! ! 3.0GaAs! ! ! ! ! 1.43GaP! ! ! ! ! ! 0.67GaSb! ! ! ! ! 0.67InSb! ! ! ! ! ! 0.16InAs! ! ! ! ! ! 0.33InP! ! ! ! ! ! 1.29
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.1 Bandes d’énergie!: conducteurs, isolants et semi-conducteurs
Par rapport aux matéraiux massifs cristallins, les semiconducteurs
en couches minces n’ont pas montré la même durée de vie - problème de stabilité.
(pb de certification à t > 25 ans).
Autres semi-conducteurs :
Famille des couches minces
• Si amorphe
• CdTe Tellure Cadmium
• CI(G)S : Cuivre Indium (Gallium) Selenium
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique
Si l ’énergie luminseuse (photon) est supérieure à l’énergie du gap, l’électron
peut avoir l’énergie suffisante pour passer dans la bande ce conduction ; on a
création d’un électron libre et d’un trou ; c’est la photo-conductivité.
Pour avoir un générateur photovoltaïque, il faudra la photo-génération de paires
électron-trou et il faudra créer une différence de potentiel ddp.
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique
Relation de conversion!: E (eV) = 1,24 eV/ !(µm)La lumière rouge émise par un laser Hélium-Néon par ex, a une longueur d’onde de 0,6 µm!; l’énergie d’un photon, environ 2 eV, suffit à créer
Des photo-porteurs dans le Si.
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique
Le silicium a une sensibilté spectrale qui lui permet d’absorber
une grande partie du rayonnement solaire.
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.3 Dopage des semi-conducteurs
On a vu qu'un semi-conducteur pur est isolant.
On peut moduler la conductivité d’un semi-conducteur par dopage
On introduit certaines impuretés qui vont faire varier le
nombre de porteurs (électrons et trous) de plusieurs ordres de grandeur.
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.3 Dopage des semi-conducteurs
Le phosphore pentavalent (Colonne V) après s’être substitué à un atome de silicium, et avoir formé 4 liaisons covalentes présente un électron célibataire. Dans le cas du Bore trivalent (Colonne III), le cortège élec--tronique présente un déficit. Cette absence d’électron s’appelle un trou.
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.4 Jonction PN
La cellule PV est une
jonction PN Lorsqu’on met
en contact les régions P et N.
En l’absence de polarisation
et à l’obscurité, les trous de P
migrent vers N. (Inverse pour
les électrons).
A la jonction apparaît
un champ Electrique.
électrons
trous
Electrontrou
P N
NP
ZQN ZQN
ZCE
─ ─ + + + +
─ ─ + + + +
─ ─ + + + +
─ ─ + + + +
─ ─ + + + +
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.4 Jonction PN
Il y a apparition d'un barrière d'énergie interne eVo (ou barrière de
potentiel Vo) qui est à l'origine de la jonction PN
Energ
ie E
(eV
)
eV0
distance x
Eg
EF
e.VO < Eg
Donc une fraction de Volt pour Si
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La tension de sortie d’une cellule à vide Vco = 0,6 V ; compte tenu des chutes de potentiel, en charge la contribution d’une cellule
dans un panneau chute en moyenne à 0,33 V
Génération de porteurs + Jonction = cellule PV
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.4 Jonction PN
Caractéristique d’une diode à jonction PN
Pour V > 0 le courant passe Pour V < 0,6 V I tend vers 0
Sous éclairement un courant négatif apparait. La jonction génère un courant.
+I
I photo
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.4 Jonction PNCaractéristiques d’un cellule solaire à jonction PN
Les caractéristiques d’une Cellule PV : Vco : tension de circuit ouvertIcc : courant de court-circuitPuissance max Facteur de remplissage : FF
Vco
Icc
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.4 Jonction PN
Puissance d’un cellule solaire Dans la caractéristique I-V d’une Cellule PV :La Puissance passe parune Valeur maximumFacteur de remplissage :FF = Pmax/Voc.Icc
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2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN
2.4 Jonction PN
Influence de la Température
Si T augmente :I augmente, V diminueplus que ILa Puissance de sortiechute
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Abondant, bon marché, facile à préparer
• Constitue la base dessilicate, sous forme desable, quartz
• S’obtient par réduction deSiO2 : SiO2 + C -> Si + CO2
• Purification par distillationSiH4, SiHCl3
• Stable jusqu’à Tf: 1410°C(non vrai pour binaires,
ternaires AsGa, InP,
3. Les procédés de fabrication
3.1 La filière silicium
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Du silicium à la plaquette
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La production de silicium : un boulotde chimistes
IUT PV Sept 2009
IUT PV Sept 2009
IUT PV Sept 2009
IUT PV Sept 2009
IUT PV Sept 2009
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Production métallurgique des lingots• Si multicristallin
3. Les procédés de fabrication
3.1 La filière silicium
Creuset froid (source EMIX France)
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3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
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De la plaquette à la cellule et aumodule
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3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
1. Texturation surface
2. Dopage N face avant
3. Dopage P face arrière
4. Couche Anti-reflet (couche bleue SiN:)
5. Metallisations (procédés type imprimerie)
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3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
IUT PV Sept 2009
3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
Caractéristiques
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3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
IUT PV Sept 2009
3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
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Record surplaquette
125 x 125 mm2Publication Kyocera
3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
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Les Records3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
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Performances de la cellule solaire
1. Réponse spectrale = sa réponse en courant suivant les longueursd’onde du rayonnement (UV, visible et IR)
2. Rendement = rapport de la puissance électrique rendue / puissancerecue du soleil se donne en % (pour 1 soleil)
3. Son coût : se donne en "/W
3. Les procédés de fabrication
3.2 Fabrication de la cellule
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La cellule semi-conductrice à jonction PNgénère une tension de <1 V et puissance voisinede 1 à 3 W, ne permet pas d’alimenter desappareils électriques (220V)
...au panneau photovoltaïque = ungd nombre de cellules en série
On relie entre elles un certain nombrede cellules pour obtenir un modulephotovoltaïque
4. Panneaux -Systèmes PV
4.1 Intégration des cellules
De la cellule solaire..
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Le panneau photovoltaïque4. Panneaux -Systèmes PV
4.2 Le panneau PV
• Fabrication
• semi-automatisée
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Le panneau photovoltaïque4. Panneaux -Systèmes PV
4.2 Le panneau PV - fiche technique
IUT PV Sept 2009
Le panneau photovoltaïque4. Panneaux -Systèmes PV
4.2 Le panneau PV - fiche technique
IUT PV Sept 2009
Le panneau photovoltaïque
4. Panneaux -Systèmes PV
4.2 Le panneau PV
• Durée de vie Supérieure à 30 ans
• Perte de puissance après 25 ans :garantie moins de 10%
• Maintenance– électronique : aucune– mécanique : dépoussiérer
IUT PV Sept 2009
Le panneau photovoltaïque
4. Panneaux -Systèmes PV
4.2 Le panneau PV
• À Poitiers : 1200 kWh/kWc
IUT PV Sept 2009
Le panneau photovoltaïque
4. Panneaux -Systèmes PV
4.2 Le panneau PV
Prix du module par rapport à l’ensemble
IUT PV Sept 2009
4. Panneaux -Systèmes PV 4.3 Les systèmes PV
IUT PV Sept 2009
Deux grandes options pour le solaire PV
• L’habitat dispersé
• La connexion au réseau
4. Panneaux -Systèmes PV
4.3 Les systèmes PV
IUT PV Sept 2009
le solaire PV autonome
IUT PV Sept 2009
le solaire PV autonome
Le problème du photovoltaïque autonome : Il faut stocker l’énergie pourson utilisation qd le soleil
faiblit... Comment ?
1. Le plus courant :Stockage sur batterie,
2. Ou transformer l’énergieélectrique en une autreénergie (voir filière H2)
3. Déplacer le problème dustockage (sur le réseau parex)
IUT PV Sept 2009
le solaire PV autonome
Le photovoltaïque autonome pour le pompage de l’eau
IUT PV Sept 2009
le solaire PV connecté au réseau
IUT PV Sept 2009
L’intégration àl’architecture
urbaine : systèmede suivi
(PV conf. Dresden 2006)
IUT PV Sept 2009
L’intégration à l’architecture urbaine :système de suivi (PV conf. Dresden 2006)
IUT PV Sept 2009
L’intégrationaux
batiments
IUT PV Sept 2009
Les autres variantes du PV : Les grossescentrales
From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.
-Sur les gros édifices en haute tension connectée au réseau,
-Dans les zones désertiques avec production H2 par hydrolyse,
-Les centrales PV à concentrations (ex parabole + cellule PV)
-
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Quel devenirpour lafilière
solaire PV ?
5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV
IUT PV Sept 2009
La plus grosse centrale PV : Bavariasolarpark Allemagne
http://www.notre-planete.info/actualites/actu_687.php
-Inaugurée en 07-2005- 250.00 m2 de panneaux- 10 MW
- la prochaine : Portugal - Pour 2009, 62 MW,- 350.00 m2 de panneaux- 250 MEuros
IUT PV Sept 2009
5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV
IUT PV Sept 2009
5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV
IUT PV Sept 2009
5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV
IUT PV Sept 2009
5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV
IUT PV Sept 2009Et à l’avenir ...Quel rendement ? quel prix?
5. Perspectives de développement 5.2 Le coût du kWh
IUT PV Sept 2009
Source: European Commission, DG Joint Research Centre
CompétitivitéCompétitivitéPrix de l’électricité solaire pour
petits producteurs PV
systèmes < 5 kWc
• system costs: 6 " /Wc
• capital investment payback time:
20 years
• interest rate: 4%
• inflation: 2%
• yearly maintenance costs 1% of
the investment
• mounting at an optimum angle
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Le retour sur investissement
http://www.encyclo-ecolo.com/Photovolta%C3%AFque#Tarif_de_rachat_de_l.27.C3.A9lectricit.C3.A9_issue_de_panneaux_solaires_2009
IUT PV Sept 2009
European Market Support Programs
plannedGreece
100 / 3002044 - 49Italy
I, Tlifetime28 – 51Portugal
Cap
[MW]
Duration
[a]
Tariff
["ct/kWh]
complicated-2015 – 30France
I, T3002522 – 40Spain
-2048 – 62Germany
other support programs
(I: Investment subsidy
T: Tax reduction)
Feed-in law
Country
80
Good progress in Europe for market acceleration !
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[%]
1 marine
2 geothermal
3 biomass
4 hydro
5 wind
6 solar thermal
7 PV solar
electricity
Source: Own estimates together with data from EREC /11/ and WBGU /12/
Contribution of PV solar electricityto global electricity production in 2040 36,000 TWh
2001
… 2040
ww electricity
81
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7
5. Perspectives de développement
IUT PV Sept 2009
IUT PV Sept 2009
Conclusion
Une technologie qui progresse rapidement :- en Rendement et,- réduction de ses coûts de production
Un marché en peine croissance, A la suite des marchésAllemands et Espagnols, Le marché français décollegrâce aux subventions
La parité au réseau est atteinte dans certaines régions du monde, elle le sera Aussi en France en commençant par les zones Sud.
IUT PV Sept 2009