Le fonctionnement d une cellule solaire

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1 sti2d.patgue.cm Le fnctinnement d une cellule slaire 1 L énergie slaire Une cellule slaire phtvltaïque transfrme l énergie reçue d rigine raynnante en électricité. L énergie raynnante prvient d une surce lumineuse, naturelle le sleil, u artificielle. La puissance du raynnement slaire est de l rdre de 1350 Watt par m² à la limite de l atmsphère. Ce raynnement est ensuite absrbé en partie par l atmsphère et certaines cmpsantes mnchrmatiques vnt être absrbées, ce qui dnne les pics sur le graphe ci-dessus. L énergie prtée par une nde électrmagnétique mnchrmatique est assciée à un crpuscule nmmé phtn elle est liée à la fréquence de cette nde : E = h.u (J) h cnstante de Planck h = J.s et 1 ev = 1, J La lngueur d nde l d un raynnement mnchrmatique est liée à la fréquence u par la relatin : u = c/l (Hz) ù c est la vitesse de la lumière c= ms -1 P.G Lycée Vaucansn PV_Fnctinnement_cellule_slaire_phtvltaique.dcx STI2D T.C.-Page 1

2 La figure ci-dessus nus mntre la crrespndance entre l énergie d un phtn sa fréquence et sa lngueur d nde. 2 La cellule slaire 2.1 Une cellule slaire est cnstituée d atmes de silicium. Les atmes snt cnstitués d un nyau et d électrns qui gravitent autur. Le mdèle utilisé pur représenter l atme vient de l analgie avec le système slaire, le sleil et les planètes gravitant autur. En fait cette représentatin est assez simplifiée. Les électrns ccupent des distances entre eux et le nyau qui snt mesurées en niveaux d énergie. Les atmes snt reliés entre eux en partageant, dans certaines cnditins, des électrns. Ce snt des liaisns de cvalence. Sur la figure ci-cntre n bserve une schématique d atmes de Si qui partagent chacun 4 électrns avec leurs visins prches. Le dpage cnsiste à intrduire des impuretés dans le Silicium sit en ajutant des atmes de Phsphre ( dpage N) u de Bre ( dpage P ). L assciatin d une cuche mince dpée N avec un substrat dpé P dnne une cellule phtélectrique, ( épaisseur 1 mm). P.G Lycée Vaucansn PV_Fnctinnement_cellule_slaire_phtvltaique.dcx STI2D T.C.-Page 2

3 Le mdèle planétaire d un atme Les niveaux d énergie ccupés par les électrns dépendent du matériau. La bande de valence représente les niveaux d énergie des liaisns entre les atmes, la bande de cnductin les niveaux d énergie ù les électrns snt libérés de l attractin du nyau et de la liaisn cvalente, ils deviennent mbiles sus l actin d un champ électrique, se snt des électrns libres. La figure ci-dessus présente les tris catégries de matériaux, islants, semi-cnducteurs, cnducteurs. Qu bservez-vus? La cellule slaire phtvltaïque est un semi-cnducteur. Pur que le curant électrique sit prduit il faut que l énergie incidente sit supérieure au gap du matériau, Eg=1,1eV pur du silicium. ( Entre 0,7 et 4eV pur un matériau phtvltaïque slaire ). P.G Lycée Vaucansn PV_Fnctinnement_cellule_slaire_phtvltaique.dcx STI2D T.C.-Page 3

4 3 Fabricatin des mdules slaires Les mdules slaires industriels snt fabriqués avec du silicium. Les prcédés de fabricatin du silicium snt prches de ceux utilisés pur les technlgies de cmpsants électrniques numériques. Le cycle ci-dessus dnne un aperçu des grandes étapes de la fabricatin d un mdule slaire. 4 Du réel au mdèle Le mdèle équivalent d une cellule phtvltaïque et par cnséquence d un mdule phtvltaïque a été élabré. Vilà un prjet d utilisatin des pssibilités de simulatin de matlab / Simulink P.G Lycée Vaucansn PV_Fnctinnement_cellule_slaire_phtvltaique.dcx STI2D T.C.-Page 4

5 Pur apprfndir 1 Energie transprtée par les phtns à la limite du spectre visible Les lngueurs d ndes du spectre visible s étendent de l = 0,4 mm pur l ultra vilet à l = 0,78 mm pur l infra ruge. Calculer l énergie transprtée par les phtns dans ces deux cas de figure, n exprimera cette énergie en ev. h = Js 1eV = 1, J c= ms -1 2 Technlgie des cellules slaires Faites une recherche sur les différentes technlgies des cellules slaires. Quels snt les différents matériaux utilisés. Quelles snt les différentes perfrmances des cellules en fnctin de la nature de leur matériau. Etudier la plus u mins grande sensibilité de la technlgie au spectre de la lumière reçu. Perspectives de la recherche actuelle. 3 Le prblème du pint chaud, u ht spt Cnsidérns tris cellules phtvltaïques mntées en série. (Rappelns qu un mdule slaire cmprend suvent 36 cellules mntées en série). Les cellules A et B snt éclairées de manières identiques et snt à la même température. La cellule C est partiellement ccultée. Les caractéristiques I=f(U) pur les tris cellules snt dnnées graphquement. Tracer sur le graphe la caractéristique glbale équivalente à l ensemble des tris cellules. Pur le faire n balaye le faisceau des tris caractéristiques ( drite Ligne I cmmun aux tris cellules ) et n relève Ua,Ub,Uc. n trace alrs le pint btenu I,Ua+Ub+Uc. On arrête le tracé quand Uc+Ub+Ua=0. Cette valeur crrespnd à la cellule C qui, en plarisatin inverse a sa tensin qui annule les tensins prduites par les cellules A et B il n y a dnc plus de curant dans le circuit. Cette cellule ne fnctinne plus en générateur, elle dit dissiper la puissance I.U, c est le phénmène de pint chaud. P.G Lycée Vaucansn PV_Fnctinnement_cellule_slaire_phtvltaique.dcx STI2D T.C.-Page 5

6 Ligne I cmmun aux tris cellules -0,5 0,1 I Cellule A 0,5 Cellule B Cellule C I 0 I 1 P.G Lycée Vaucansn PV_Fnctinnement_cellule_slaire_phtvltaique.dcx STI2D T.C.-Page 6