Cellule photovoltaïque ou cellule solaire

Définition

Une cellule photovoltaïque (PV) est un dispositif à semi-conducteur qui convertit la lumière en énergie électrique. La tension induite par la cellule PV dépend de l'intensité de la lumière incidente. Le terme "photovoltaïque" provient de sa capacité à générer une tension ("voltaïque") par la lumière ("photo").

Dans les matériaux semi-conducteurs, les électrons sont liés par des liaisons covalentes. Le rayonnement électromagnétique est composé de minuscules particules d'énergie appelées photons. Lorsque les photons frappent le matériau semi-conducteur, les électrons s'excitent et commencent à émettre.

Ces électrons excités sont appelés photoélectrons, et le phénomène d'émission d'électrons est appelé l'effet photoélectrique. Le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque repose sur l'effet photoélectrique.

Construction de la Cellule Photovoltaïque

Des matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure, l'indium, le cadmium, le silicium, le sélénium et le gallium sont utilisés pour fabriquer les cellules PV. Le silicium et le sélénium sont principalement utilisés pour construire les cellules.

Prenez par exemple la structure d'une cellule photovoltaïque en silicium ci-dessous :

• La surface supérieure de la cellule est constituée d'une fine couche de matériau p-type afin que la lumière puisse facilement pénétrer dans le matériau.

• Des anneaux métalliques sont placés autour des matériaux p-type et n-type, qui agissent respectivement comme leurs bornes de sortie positive et négative.

Les cellules PV individuelles sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs monocristallins ou polycristallins.

Les cellules monocristallines sont découpées à partir d'un seul lingot cristallin, tandis que les cellules polycristallines sont produites à partir de matériaux ayant plusieurs structures cristallines.

La tension et le courant de sortie d'une seule cellule sont assez faibles, généralement autour de 0,6 V et 0,8 A respectivement. Pour améliorer l'efficacité, les cellules sont combinées dans diverses configurations. Il existe trois méthodes principales pour connecter les cellules PV :

Combinaison Parallèle des Cellules PV

Dans une configuration parallèle, la tension à travers les cellules reste inchangée, tandis que le courant total double (ou augmente proportionnellement au nombre de cellules). La courbe caractéristique des cellules PV connectées en parallèle est montrée ci-dessous.

Combinaison Série-Parallèle des Cellules PV

Dans une configuration série-parallèle, la tension et le courant augmentent proportionnellement. Les panneaux solaires sont généralement construits en utilisant cette combinaison de cellules pour obtenir une puissance de sortie plus élevée.

Un module solaire est créé en reliant des cellules solaires individuelles. L'assemblage de plusieurs modules solaires est appelé un panneau solaire.

Fonctionnement de la Cellule PV

Lorsque la lumière frappe un matériau semi-conducteur, elle peut soit passer à travers, soit être réfléchie. Les cellules PV sont faites de semi-conducteurs - des matériaux qui ne sont ni des conducteurs parfaits ni des isolants. Cette propriété les rend hautement efficaces pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique.

Lorsque le semi-conducteur absorbe la lumière, ses électrons commencent à émettre. Cela se produit car la lumière est composée de minuscules paquets d'énergie appelés photons. Lorsque les électrons absorbent les photons, ils s'excitent et commencent à se déplacer dans le matériau. Un champ électrique interne force ces particules à se déplacer dans une direction, générant un courant. Des électrodes métalliques sur le semi-conducteur permettent au courant de s'écouler.

La figure ci-dessous représente une cellule PV en silicium connectée à une charge résistive. La cellule comprend des couches de semi-conducteurs de type P et N jointes pour former une jonction PN.

La jonction est l'interface entre les matériaux de type P et N. Lorsque la lumière tombe sur la jonction, les électrons commencent à se déplacer d'une région à l'autre.
Comment sont Installées les Cellules Solaires dans une Centrale Solaire ?
Des dispositifs tels que les traqueurs de point de puissance maximale (MPPT), les onduleurs, les régulateurs de charge et les batteries sont utilisés pour convertir le rayonnement solaire en tension électrique.

Traqueur de Point de Puissance Maximale (MPPT)

Un MPPT est un contrôleur numérique spécialisé qui suit la position du soleil. Comme l'efficacité des cellules PV dépend de l'intensité de la lumière solaire, qui varie tout au long de la journée en raison de la rotation de la Terre, les MPPT ajustent l'orientation du panneau pour maximiser l'absorption de la lumière et la production de puissance.

Régulateur de Charge

Un régulateur de charge régule la tension provenant du panneau solaire et empêche la surcharge ou la surtension de la batterie, assurant ainsi un stockage d'énergie sûr et efficace.

Onduleur

Un onduleur convertit le courant continu (CC) provenant des panneaux en courant alternatif (CA) pour une utilisation avec des appareils standards, qui nécessitent généralement du courant alternatif.