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Module photovoltaïque

Module photovoltaïque

Les modules photovoltaïques ou les panneaux solaires sont des dispositifs utilisés pour capter l'énergie de la lumière du soleil. Les panneaux solaires photovoltaïques contiennent un ensemble de cellules solaires qui convertissent la lumière en électricité. On l'appelle solaire car le soleil est l'une des sources d'énergie les plus puissantes pour ce type d'utilisation. Les cellules solaires sont parfois appelées cellules photovoltaïques, et photovoltaïques signifie littéralement «électricité légère». Les cellules solaires ont pour effet photovoltaïque d'absorber l'énergie du soleil et de faire circuler le courant électrique entre deux couches chargées dans la direction opposée.

Actuellement, les coûts associés aux modules solaires deviennent peu coûteux dans les applications où l'énergie des centrales électriques est disponible. Le coût des combustibles fossiles augmente et l'expérience de la production réduit les coûts des cellules solaires. Cela ne se voit peut-être pas dans un avenir très proche, mais à long terme, la tendance est à une augmentation de l'utilisation de ce type d'énergie. renouvelable.

Un module photovoltaïque est un ensemble de cellules photovoltaïques interconnectées protégées de l'extérieur par une structure composée essentiellement d'un verre et d'un cadre rigide.

Les cellules photovoltaïques sont des éléments qui, grâce aux propriétés du silicium, peuvent transformer le rayonnement solaire en énergie électrique à très basse tension grâce à l'effet photovoltaïque.

Le panneau photovoltaïque a pour fonction de regrouper toutes ces petites tensions générées pour fournir une tension nominale plus élevée au système.

Les modules photovoltaïques fournissent une tension continue. Les autres éléments du système photovoltaïque seront chargés de gérer et de transformer cette tension en courant alternatif, si nécessaire.

Les capteurs solaires sont des panneaux solaires qui, selon les lois de la thermodynamique, exploitent la chaleur du soleil pour chauffer un liquide.

Technologies de construction pour modules photovoltaïques

Parmi les nombreux matériaux pouvant être utilisés pour la construction de modules photovoltaïques, le silicium est le plus utilisé. Le silicium est obtenu dans des plaquettes qui sont ensuite assemblées pour former un module photovoltaïque.

Les types de construction des cellules photovoltaïques les plus courantes sont:

  • Silicium monocristallin: les cellules ont une efficacité de 18-21%. Ils ont tendance à être coûteux et sont également présents, ils sont coupés avec des lingots cylindriques, il est difficile de les couvrir avec des surfaces étendues sans gaspillage de matière ou d'espace.
  • Silicium polycristallin: des cellules moins chères, mais moins efficaces (15-17%), dont l'avantage réside dans la facilité avec lesquelles il est possible de les découper en formes appropriées pour les assembler dans des modules.
  • Silicium amorphe déposé en phase vapeur: les cellules photovoltaïques ont un faible rendement (8%), mais leur production est beaucoup moins chère. Le silicium amorphe (Si-a) possède une bande importante de silicium cristallin (Si-c): cela signifie qu'il absorbe plus efficacement la partie visible du spectre du rayonnement solaire, mais moins efficace dans la collecte de la partie infrarouge. Le silicium nanocristallin (avec des domaines nanométriques cristallins) ayant approximativement la même plage de bande Si-c, les deux matériaux peuvent être combinés pour créer une cellule photovoltaïque en couches, dans laquelle la couche supérieure de Si-a absorbe la lumière visible. et laisse la partie infrarouge du spectre à la cellule de silicium nanocristallin inférieure.
  • CIS: les cellules sont basées sur des couches de chalcogénure (par exemple, Cu (InxGa1-x) (SexS1-x) 2). Leur efficacité peut atteindre 15%, mais leur coût est encore trop élevé.
  • Cellules photoélectrochimiques: ces cellules photovoltaïques, construites pour la première fois en 1991, ont été initialement conçues pour imiter le processus de la photosynthèse. Ce type de cellule dans un module photovoltaïque permet une utilisation plus flexible des matériaux et la technologie de production semble être très pratique. Cependant, les colorants utilisés dans ces cellules rencontrent des problèmes de dégradation lorsqu'ils sont exposés à la chaleur ou à la lumière ultraviolette. Malgré ce problème, il s'agit d'une technologie émergente qui devrait avoir un impact commercial d'ici 10 ans.
  • Cellule photovoltaïque hybride: combine les avantages des semi-conducteurs organiques et de divers types de semi-conducteurs inorganiques.
  • Cellule photovoltaïque concentrée: l'utilisation de cette cellule dans un module photovoltaïque associe les technologies susmentionnées à des lentilles à concentration solaire qui augmentent considérablement l'efficacité. Ils représentent la nouvelle génération prometteuse de panneaux encore en développement.
  • Monocristal de silicium, dans lequel chaque cellule est constituée d'une plaquette dont la structure cristalline est homogène (monocristal), convenablement dopé pour former une jonction pn;
  • Module photovoltaïque en silicium polycristallin, dans lequel la tranche susmentionnée n'est pas structurellement homogène, mais est organisée en grains ordonnés localement.

Modules photovoltaïques cristallins

  • Monocristal de silicium, dans lequel chaque cellule est constituée d'une plaquette dont la structure cristalline est homogène (monocristal), convenablement dopé pour former une jonction pn;
  • Module photovoltaïque en silicium polycristallin, dans lequel la tranche susmentionnée n'est pas structurellement homogène, mais est organisée en grains ordonnés localement.

modules de film mince

Les modules photovoltaïques à couche mince sont fabriqués en déposant le matériau semi-conducteur sur un substrat de type verre, de sorte que les panneaux solaires rigides soient utilisés à l'extérieur; ou en plastique, dans le cas de panneaux souples pour des utilisations moins conventionnelles.

Le module à couches minces est fabriqué de manière monolithique et ne nécessite pas l'assemblage de plusieurs cellules, comme dans le cas des panneaux de silicium cristallin, de plus, la quantité de matériau semi-conducteur présente dans le panneau est considérablement plus petite que les panneaux fabriqués avec des cellules photovoltaïques standard, qui réduit les coûts de production, par contre, le matériau déposé semble présenter un défaut élevé et, par conséquent, les panneaux à film mince auront une efficacité inférieure par rapport à leurs équivalents monocristallins.

Les modules à couches minces sont subdivisés en plusieurs catégories en fonction des matériaux semi-conducteurs qui y sont déposés, parmi les plus courants:

  • Silicium amorphe, dans lequel les atomes de silicium sont déposés chimiquement sous forme amorphe, ou structurellement désorganisés, sur la surface de support. Cette technologie utilise de très petites quantités de silicium (épaisseurs de l'ordre du micron). Les modules en silicium amorphe présentent généralement une efficacité moins constante des autres technologies par rapport aux valeurs nominales, malgré des garanties en adéquation avec le marché. Les données les plus intéressantes se rapportent à EROEI, qui fournit des valeurs très élevées (dans certains cas, il atteint même 9), ce qui démontre l'efficacité économique de cette technologie.
  • Tellurure de cadmium (CdTe): ce sont des panneaux solaires plus minces avec un prix inférieur et une efficacité thermodynamique inférieure.
  • Le sulfure de cadmium microcristallin (CdS), dont les coûts de production sont très bas, car la technologie utilisée pour sa production ne nécessite pas la réalisation des très hautes températures requises au lieu de la fusion et de la purification du silicium. Il est appliqué sur un support métallique pour revêtement par pulvérisation, c'est-à-dire qu'il est littéralement pulvérisé en tant que peinture. Parmi les inconvénients associés à la production de ce type de cellules photovoltaïques, il y a la toxicité du cadmium et le faible rendement de l'appareil.
  • Arséniure de gallium (GaAs), c'est un alliage binaire aux propriétés semi-conductrices, capable de garantir des rendements très élevés, grâce à la propriété d'avoir un entrefer direct (contrairement au silicium). Il est principalement utilisé pour des applications militaires ou scientifiques avancées (telles que des missions de surveillance planétaire automatisées ou des photodétecteurs particulièrement sensibles). Toutefois, le coût prohibitif du matériau monocristallin à partir duquel les cellules sont fabriquées a été utilisé pour un usage spécifique.
  • Diselenide de cuivre indien (CIS)), avec une opacité allant de 100% à 70% obtenue au travers de trous percés directement dans le film.
  • Indien de cuivre et de gallium de cuivre (CIGS)
  • Hétérojonction, littéralement union entre différentes substances, dans laquelle une couche de silicium cristallin est utilisée comme surface de support d'une ou plusieurs couches amorphes ou cristallines, chacune d'entre elles étant optimisée pour une sous-bande de rayonnement spécifique;
  • Silicium microsphérique, dans lequel du silicium polycristallin réduit est utilisé dans des sphères d'un diamètre d'environ 0,75 mm, mises en cage dans un substrat en aluminium;

Variantes propriétaires

Parmi les technologies mentionnées, seuls les systèmes amorphe et microsphérique permettent la flexion du module: dans le cas de l'amorphe, il n'y a pas de structure cristalline du matériau pour l'empêcher de se courber, dans le cas du microsphérique, la cellule (sphère) qui se plie, mais la grille en nid d'abeille dans laquelle il est placé.

Construction de modules photovoltaïques

Le silicium cristallin et l'arséniure de gallium sont les choix typiques des matériaux pour les cellules solaires. Les cristaux d'arséniure de gallium sont créés spécialement pour les applications photovoltaïques, mais les cristaux de silicium sont également produits pour la consommation par l'industrie de la microélectronique.

Le silicium polycristallin a un pourcentage de conversion inférieur, mais à un coût réduit.

Panneaux photovoltaïques

Lorsqu'elle est exposée à une lumière directe de 1 UA, une cellule en silicium de 6 centimètres de diamètre peut produire un courant de 0,5 ampère à 0,5 volt. L'arséniure de gallium est plus efficace.

Les ensembles de panneaux solaires peuvent produire de l'électricité pour des endroits isolés bien éclairés.

Le verre est découpé en petits disques, polis pour éliminer le risque de coupure, des dopants sont introduits dans les disques et les contrôleurs métalliques sont déposés sur chaque surface: un petit connecteur sur la surface face au soleil et un connecteur sur l'autre côté Les modules solaires sont construits avec ces cellules découpées dans des formes appropriées, protégées du rayonnement et endommagées par l'application d'une couche de verre et collées sur un substrat (un panneau rigide ou flexible).

Les connexions électriques sont effectuées en série parallèle afin de déterminer la tension de sortie totale. La couche protectrice doit être un conducteur thermique, car la cellule entre en absorbant l'énergie infrarouge du soleil qui n'est pas convertie en énergie électrique. Comme le chauffage de la cellule réduit l'efficacité opérationnelle, il est souhaitable de réduire cette chaleur. Le résultat de cette construction est appelé module photovoltaïque ou panneau solaire.

Un panneau solaire est un ensemble de cellules solaires. Bien que chaque cellule solaire fournisse une quantité d'énergie relativement faible, un ensemble de cellules solaires dispersées sur une grande surface peut générer suffisamment d'énergie pour être utile. Pour recevoir la plus grande quantité d'énergie, les panneaux solaires doivent être dirigés directement vers le soleil.

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Dernier examen: 30 octobre 2018

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