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Efficacité solaire

Efficacité solaire

Nous définissons l'efficacité des cellules photovoltaïques en fonction de la proportion d'énergie solaire convertie en énergie électrique par l' énergie photovoltaïque.

L'efficacité des cellules photovoltaïques est l'un des éléments qui déterminent la production d'une installation à énergie solaire photovoltaïque. Les autres facteurs qui déterminent la performance d'une centrale solaire sont la latitude et le climat.

La valeur d'efficacité de conversion d'une cellule photovoltaïque dépend de plusieurs facteurs. Lorsque nous nous référons au rendement de conversion, nous nous référons implicitement au rendement thermodynamique, au rendement de séparation du support de charge, au rendement de réflectance et aux valeurs du rendement de conduction. Ces paramètres étant difficiles à mesurer directement, d'autres paramètres sont mesurés à la place, notamment l'efficacité quantique, le rapport de tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage.

Méthodes techniques pour améliorer l'efficacité solaire

Refroidissement radiatif

Pour chaque degré centigrade qui augmente la température de la cellule solaire photovoltaïque, l'efficacité solaire diminue d'environ 0,45%. Pour éviter la diminution de l'efficacité solaire due au chauffage, une couche de verre de silice visiblement transparent peut être appliquée sur un panneau solaire photovoltaïque. La couche de verre de silice agit comme un corps noir thermique qui émet de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge dans l'espace. Cette action permet d'abaisser la température de la cellule photovoltaïque jusqu'à 13 degrés Celsius.

Promouvoir la dispersion de la lumière dans le spectre visible

En recouvrant la surface de réception de la lumière de la cellule avec des pôles métalliques de taille nanométrique, l'efficacité de la cellule peut être sensiblement accrue, car le rayonnement solaire est réfléchi dans ces pôles à un angle oblique par rapport à la cellule. Ce changement de direction provoque une augmentation de la longueur du chemin emprunté par la lumière à travers la cellule solaire. En conséquence, l'augmentation du chemin augmente le nombre de photons absorbés par la cellule, ainsi que la quantité de courant continu générée.

Les principaux matériaux utilisés pour les nano-goujons sont l'argent, l'or et l'aluminium, pour n'en nommer que quelques-uns. L'aluminium peut augmenter l'efficacité de la cellule jusqu'à 22% (dans des conditions de laboratoire). En revanche, l'aluminium n'absorbe que les rayons ultraviolets et réfléchit la lumière visible et infrarouge, de sorte que la perte d'énergie est minimisée sur ce front.

Cependant, l'or et l'argent ne sont pas très efficaces, car ils absorbent une grande partie de la lumière du spectre visible, qui contient la plus grande partie de l'énergie présente dans la lumière solaire, ce qui réduit la quantité de rayonnement solaire atteignant les cellule photoélectrique

Choisissez le conducteur transparent optimal

Le côté éclairé de certains types de cellules solaires, les films minces, comporte un film conducteur transparent qui permet à la lumière de pénétrer dans le matériau actif et de collecter les porteurs de charge générés.

De manière générale, on utilise à cet effet des films à forte transmittance et conductance électrique, tels que les oxydes d'indium et d'étain, les polymères conducteurs ou les réseaux de nanofils conducteurs. Il existe un compromis entre la transmittance élevée et la conductance électrique, de sorte que la densité optimale des nanofils conducteurs ou la structure du réseau conducteur doit être choisie pour atteindre un rendement élevé.

Enduits et textures antireflet

Les revêtements anti-réfléchissants pourraient provoquer des interférences plus destructives dues aux ondes lumineuses incidentes sur le soleil. Par conséquent, toute la lumière du soleil serait transmise au système photovoltaïque.

En outre, une autre technique utilisée pour réduire la réflexion est la texturation, dans laquelle la surface d'une cellule solaire est modifiée de sorte que la lumière réfléchie frappe à nouveau la surface. Ces surfaces peuvent être créées par gravure ou par lithographie. L'ajout d'une surface arrière plate en plus de la texturation de la surface avant permet de piéger la lumière à l'intérieur de la cellule pour un trajet optique plus long.

Matériaux de film mince

En termes de coûts bas et d'adaptabilité aux structures existantes et aux structures de la technologie, les matériaux en couches minces sont une très bonne option pour les cellules photovoltaïques.

Cependant, en raison de leur faible épaisseur, les matériaux ne présentent pas l'absorption optique des cellules solaires. Bien que des tentatives aient été tentées pour remédier à ce problème, la chose la plus importante est l'accent mis sur la recombinaison de la surface du film mince.

Comme il s'agit du processus de recombinaison dominant des cellules solaires à couche mince à l'échelle nanométrique, il est crucial pour son efficacité solaire. L'ajout d'une fine couche passivante de dioxyde de silicium pourrait réduire la recombinaison.

Passivation de la surface arrière

Alors que de nombreuses améliorations ont été apportées à l'avant des cellules photovoltaïques pour la production en masse d'énergie solaire, la surface arrière en aluminium ralentit l'amélioration de l'efficacité.

L'efficacité de nombreuses cellules solaires a bénéficié de la création de cellules dites passives et passives. Le dépôt chimique d'un empilement de couches de passivation diélectriques de la surface arrière, qui est également constitué d'un mince film de silice ou d'oxyde d'aluminium recouvert d'un film de nitrure de silicium, contribue à améliorer le rendement des cellules solaires au silicium. plus de 1%

Cela contribue à augmenter l'efficacité solaire de la cellule pour le matériau de plaquette Cz-Si du commerce à 20,2% et l'efficacité de la cellule pour le quasi-mono-Si à un record de 19,9%.

Facteurs influant sur l'efficacité de la conversion d'énergie

Pour analyser les facteurs qui influent sur l'efficacité solaire, nous pouvons nous référer aux facteurs énergétiques qui influent sur l'efficacité de conversion de l'énergie présentée par William Shockley et Hans Queisser dans un article historique de 1961.

Facteur de remplissage

Un autre terme définissant le comportement général d'une cellule solaire est le facteur de remplissage. Ce facteur est une mesure de la qualité d'une cellule solaire. Il s'agit de l'énergie disponible au point de puissance maximale, divisée par la tension à vide et le courant de court-circuit.

Le facteur de remplissage est directement affecté par les valeurs de série de cellules, les résistances de contournement et les pertes de diodes. L'augmentation de la résistance du shunt et la diminution de la résistance en série entraînent un facteur de remplissage plus élevé, ce qui se traduit par un rendement plus élevé et un rapprochement de la puissance de sortie de la cellule avec son maximum théorique.

Les facteurs de remplissage typiques vont de 50% à 82%. Le facteur de remplissage d'une cellule photovoltaïque au silicium normale est de 80%.

Limite d'efficacité thermodynamique et limite de pile infinie

Si on a une source de chaleur à la température Ts et un puits de chaleur plus froid à la température Tc, la valeur théoriquement maximale possible pour le rapport de travail (ou la puissance électrique) obtenu à partir de la chaleur fournie est 1- Tc / Ts, étant donné par un moteur thermique de Carnot.

Si nous prenons 6000 Kelvin pour la température du soleil et 300 Kelvin pour les conditions environnementales sur la Terre, cela atteint 95%. En 1981, Alexis de Vos et Herman Pauwels ont montré que cela pouvait être réalisé avec un empilement d'un nombre infini de cellules avec des intervalles de bande allant de l'infini (les premières cellules trouvées par les photons entrants) à zéro, avec une tension dans chaque cellule très proche de la tension de circuit ouvert, égale à 95% de la plage de la bande de cette cellule, et à 6000 kelvins de rayonnement de corps noir provenant de toutes les directions.

Point de puissance maximale

Une cellule solaire peut fonctionner dans une large gamme de tensions (V) et d'intensités de courant (I). En augmentant la charge résistive dans une cellule irradiée de façon continue de zéro (un court-circuit) à une valeur très élevée (un circuit ouvert), le point de puissance maximale peut être déterminé, le point qui maximise V × I; c'est-à-dire la charge pour laquelle la cellule peut délivrer la puissance électrique maximale à ce niveau d'irradiation.

La puissance maximale d'un photovoltaïque varie en fonction de l'éclairage incident. Par exemple, l'accumulation de poussière dans les panneaux photovoltaïques réduit le point de puissance maximale. Pour les systèmes assez grands pour justifier la dépense supplémentaire, un dispositif de suivi du point de puissance maximale suit la puissance instantanée en mesurant en permanence la tension et le courant (et, par conséquent, le transfert de puissance), et utilise cette information pour ajuster de manière dynamique. la charge de sorte que la puissance maximale soit toujours transférée, quelle que soit la variation de l'éclairage.

Efficacité maximale

Cependant, les systèmes photovoltaïques normaux ne possèdent qu'une jonction pn et sont donc soumis à une limite de rendement inférieure, appelée "rendement maximal" par Shockley et Queisser. Les photons dont l'énergie est inférieure à la bande interdite du matériau absorbant ne peuvent pas générer une paire de trous d'électrons. Par conséquent, leur énergie ne devient pas utile en sortie et ne génère de la chaleur que si elle est absorbée. Pour les photons dont l'énergie dépasse la bande d'énergie, seule une fraction de l'énergie située au-dessus de cette bande peut être convertie en sortie utile. Lorsqu'un photon d'énergie supérieure est absorbé, l'énergie excédentaire sur la bande est convertie en énergie cinétique à partir de la combinaison de porteurs. L'énergie cinétique en excès est convertie en chaleur à travers le phonon. Les interactions sous forme d'énergie cinétique des porteurs diminuent à la vitesse d'équilibre. Les cellules à simple jonction traditionnelles avec une bande optimale pour le spectre solaire ont une efficacité théorique maximale de 33,16%, la limite de Shockley-Queisser.

Les cellules solaires dotées de matériaux absorbants à séparation de bandes multiples améliorent l'efficacité en divisant le spectre solaire en de plus petits dépôts, la limite d'efficacité thermodynamique étant supérieure pour chaque conteneur.

Efficacité quantique

Lorsqu'un photon est absorbé par une cellule solaire photovoltaïque, il peut produire une paire de trous d'électrons. L'un des transporteurs peut atteindre la jonction pn et contribuer au courant produit par la cellule solaire; il est dit que ce support est collecté. Ou bien, les transporteurs se recombinent sans contribution nette au courant cellulaire.

L'efficacité quantique fait référence au pourcentage de photons qui deviennent du courant électrique (c.-à-d. Des transporteurs récoltés) lorsque la cellule fonctionne dans des conditions de court-circuit. L'efficacité quantique "externe" d'une cellule solaire au silicium comprend l'effet de pertes optiques telles que la transmission et la réflexion.

Certaines mesures peuvent notamment être prises pour réduire ces pertes. Les pertes de réflexion, qui peuvent représenter jusqu'à 10% de l'énergie incidente totale, peuvent être considérablement réduites en utilisant une technique appelée texturation, une méthode de piégeage de la lumière qui modifie le trajet lumineux moyen.

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Dernier examen: 8 février 2019

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