CELLULES ET TECHNOLOGIES PHOTOVOLTAÏQUES
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- Constance Briand
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1 CELLULES ET TECHNOLOGIES PHOTOVOLTAÏQUES 2017
2 2 UN PEU D HISTOIRE. PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL
3 UN PEU D HISTOIRE Premières découvertes : Découverte de l effet photovoltaïque par Alexandre Edmond Becquerel 1883: 1 ère «véritable» cellule PV par Charles Fritts avec un rendement de. 1%! 1905 : Explication de l effet photovoltaïque par Einstein 1954: 1 ère cellule en Si avec rendement de 5%, par Chaplin, Fuller and Pearson Laboratoires Bells
4 UN PEU D HISTOIRE Premières applications : Premier satellite scientifique américain équipé de modules PV premières applications spatiales Années 1980 : Progression de la technologie PV terrestre Premières cellules couches minces et commercialisation de modules a-si Années 1990 : Apparition des premières cellules hybrides et organiques Développement Silicium qualité solaire Croissance de la filière industrielle PV (Allemagne, Japon, ) Années 2000 : Montée en puissance de la filière en France Diversification de l offre de modules/technologies Optimisation des méthodes de production
5 UN PEU D HISTOIRE Situation actuelle : les technologies présentes sur le marché 5 ~ 10 principaux types de technologies de cellules PV recensées qui diffèrent par les matériaux utilisés ou/et leur épaisseur TYPES A base de Silicium Autres matériaux Monocristallin (Mono-Si) Polycristallin (Poly-Si) Cuivre-Indium- Sélénium Tellurure de Cadmium Amorphe Polycristallin ruban(poly-si) Microcristallin Semi-conducteurs III-V : Arsenurede Gallium, etc Cellules à colorant (TiO2) (a-si) (µ-si) Cellules hybrides HIT Micromorphe (µ-si/a-si)
6 UN PEU D HISTOIRE Situation actuelle : les technologies présentes sur le marché 6 1 ère génération : Silicium cristallin «classique» Épaisseur = 100 à 250µm TYPES A base de Silicium Autres matériaux Monocristallin (Mono-Si) Polycristallin (Poly-Si) Cuivre-Indium- Sélénium Tellurure de Cadmium Amorphe Polycristallin ruban(poly-si) Microcristallin Semi-conducteurs III-V : Arsenurede Gallium, etc Cellules à colorant (TiO2) (a-si) (µ-si) Cellules hybrides HIT Micromorphe (µ-si/a-si)
7 UN PEU D HISTOIRE Situation actuelle : les technologies présentes sur le marché 7 TYPES A base de Silicium Autres matériaux Monocristallin (Mono-Si) Polycristallin (Poly-Si) Cuivre-Indium- Sélénium Tellurure de Cadmium Amorphe Polycristallin ruban(poly-si) Microcristallin Semi-conducteurs III-V : Arsenurede Gallium, etc Cellules à colorant (TiO2) (a-si) (µ-si) Cellules hybrides HIT Micromorphe (µ-si/a-si) 2 e génération : Couches minces Épaisseur = de l ordre de 1µm
8 UN PEU D HISTOIRE Situation actuelle : les technologies présentes sur le marché 8 TYPES A base de Silicium Autres matériaux Monocristallin (Mono-Si) Polycristallin (Poly-Si) Cuivre-Indium- Sélénium Tellurure de Cadmium Amorphe Polycristallin ruban(poly-si) Microcristallin Semi-conducteurs III-V : Arsenurede Gallium, etc Cellules à colorant (TiO2) (a-si) (µ-si) Cellules hybrides HIT Micromorphe (µ-si/a-si) 2 e génération : Cellules Hybrides
9 UN PEU D HISTOIRE Situation actuelle : les technologies présentes sur le marché 9 TYPES A base de Silicium Autres matériaux Monocristallin (Mono-Si) Polycristallin (Poly-Si) Cuivre-Indium- Sélénium Tellurure de Cadmium Cellules hybrides HIT Amorphe (a-si) Micromorphe (µ-si/a-si) Polycristallin ruban(poly-si) Microcristallin (µ-si) Semi-conducteurs III-V : Arsenurede Gallium, etc 3 e génération? Cellules avec ajustement du spectre solaire Cellules (semi-) organiques Cellules à colorant (TiO2) Cellules à nano-cristaux Rendement >22% + auto réparation à l étude : Perovkites,,,
10 10 UN PEU D HISTOIRE. PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL
11 PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES Rappel du fonctionnement d une cellule 11 L effet photovoltaïque Les matériaux choisis pour constituer la cellule PV = semi-conducteurs dopés formant une jonction «P/N» : une zone dopée positivement, une zone dopée négativement Lorsqu un électron heurte une cellule photovoltaïque, son énergie est transférée à un électron (-) dans le matériau constituant la cellule échappe alors à sa position normale et crée un «trou» (+). Une différence de potentiel est créé : un courant peut-être généré si les charges sont collectées et le circuit fermé sur une charge.
12 PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES Le cas du cristallin 12 Méthodes de fabrication : Silicium Cristallin Poly-Si Mono-Si Ruban(Poly-Si) Ajout de dopant P (+) = Bore Refroidissement contrôlé Découpe des wafers Wafer
13 PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES Le cas des couches minces 13 Méthodes de fabrication : couches minces La technologie couche mince = application d une fine couche de semi-conducteur actif sur un substrat rigide, semi-rigide, ou flexible. Il est découpé à la dimension désirée pour le module. Mise en série des cellules = partie intégrante du processus de fabrication des cellules. Contact avant Couche active Substrat Contact arrière Circulation du courant
14 PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES Le cas du cristallin 14 Méthodes de fabrication : Silicium Cristallin Ajout dopant N (-) (Phosphore) Traitement de surface Ajout des collecteurs de charges Encapsulation OU 1cadrealu 2 joint étanchéité 3verre 4 support EVA 5cellules 6 film Tedlar 1verre 2 protections EVA 3cellules
15 Taille standard 15 Module Laminé 1. Verre face et arrière 2. Protection par EVA 3. Cellules cristallines CADRE VERRE EVA JOINT TEDLAR CELLULES RUBAN Tailles standards des cellules : 4 = 101 mm 5 = 125,5 mm 6 = 155,5 mm
16 16 UN PEU D HISTOIRE. PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL
17 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Fonctionnement d une cellule 17 Schéma équivalent électrique d une cellule PV Modèle idéal : Une cellule PV soumise au rayonnement solaire peut être assimilée à une diode en parallèle avec générateur de courant Caractéristique électrique des éléments : I I = I ph -I D Iph 0 1 V I ID 0 0 V ON OBTIENT AINSI.
18 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Paramètres électriques principaux 18 Courbe (V,I) caractéristique d une cellule PV (V,I) (V,P) Conditions STC : E = 1000W/m² Tcellule = 25 C AM = 1,5 Caractéristique Courant Tension (IV) d une cellule cristalline 4
19 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Paramètres électriques principaux 19 Courbe (V,I) caractéristique d une cellule PV (V,I) (V,P) Conditions STC : E = 1000W/m² Tcellule = 25 C AM = 1,5 Caractéristique Courant Tension (IV) d une cellule cristalline 4
20 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Paramètres électriques principaux 20 Courbe (V,I) caractéristique d une cellule PV (V,I) Pmpp STC = Puissance crête (V,P) Conditions STC : E = 1000W/m² Tcellule = 25 C AM = 1,5 Caractéristique Courant Tension (IV) d une cellule cristalline 4
21 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Paramètres électriques principaux 21 A NOTER Les modules couches minces ont généralement une tension plus élevée et un courant beaucoup plus faible que les modules au Silicium cristallin. Moins de modules couches minces en série dans une chaîne = plus de chaînes donc plus de câblage et de protections nécessaires!
22 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Rendement des modules 22 Rendement des modules Les modules couches minces ont des rendements plus faibles que les modules au Silicium cristallin. Plus de modules couches minces que cristallin pour un système de même puissance
23 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Influence du rayonnement 23 Comportement général face au rayonnement : Le courant est proportionnel au rayonnement La tension est peu dégradée lorsque le rayonnement diminue
24 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Influence de la température 24 Influence de la température sur les caractéristiques électriques des cellules Vco d une cellule diminue: proportion différente selon technologies Icc augmente très légèrement(<0,1%/ C), et ce quelle que soit la technologie Modification de la courbe(v,i): la puissance maximum diminue
25 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Influence de la température 25 Effet de la température sur les différentes technologies
26 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Paramètre : Ombrage 26 Effet de l ombrage : Pour un même ombrage : impact moindre sur les performances des couches minces que sur les modules au silicium cristallin Couches minces: cellules souvent longues et fines Si modules mis dans le sens appropriés = impact ombrage diminué
27 Diode de by pass Paramètre : Ombrage 27 Une cellule ou un module à l ombre se transforme en récepteur comme une résistance électrique qui va chauffé et entraîner une perte de production ou pire encore R RAPPEL DIODE Blocage Passage U U Phénomène Hot spot (point chaud)
28 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Dégradation des performances 28 Dégradation continue des modules : Dégradation du matériau d encapsulation Bris du verre Hot-spot Délamination Compatibilité des matériaux d encapsulation Fatigue thermodynamique des soudures Dégradation du semi-conducteur Pertes de puissance estimées : Silicium cristallin : 0,1 à 0,7%/an Silicium amoprhe : environ 0,8% par an CdTe : 0,4 à 0,6 % par an
29 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Les performances.environnementales! 29 Couche mince Silicium Cristallin Couche mince Silicium Cristallin Elevation de température nécessaire Epaisseur des couches Comparatif des consommations d énergie nécessaires à la fabrication des différents types de cellules
30 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES Les performances.environnementales! 30 Transport Electricité utilisée pour la fabrication du module Autres procédés et matériaux
31 31 UN PEU D HISTOIRE. PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL
32 TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES EXISTANTES Modules Silicium Cristallin 32 Module Silicium Polycristallin (Poly-Si) : Rendement des modules:14 à 17% Polycristallin Apparence : Cristaux apparents ou non Couleur : Bleu foncé Module Silicium Monocristallin (Mono-Si) : Rendement des modules:14 à 21% Monocristallin Apparence : Uniforme, cellule coupée aux 4 coins Couleur : Bleu foncé Avantages Rendement surfacique élevé ( Wc/m²) Stabilité au rayonnement Technologie maîtrisée, nombreux fabricants Inconvénients Fabrication coûteuse et énergivore Sensibilité à la température (P ~ -0,45%/ C) Faible rendement en lumière faible ou diffuse
33 TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES EXISTANTES Modules cristallins avec contacts en face arrière 33 Module à contacts en face arrière : Données générales Rendement des modules: 16 à 17% (poly-si); 17 à 20,5% (mono-si) Apparence : Uniforme Couleur : De bleu foncé à noir Composition et particularités Contacts électriques situés en face arrière du module (en face avant sur des modules classiques) AugmentaWon de la surface uwle d'absorpwon de la lumière = rendement amélioré Cellules monocristallines avec contacts en face arrière Cellule polycristalline avec contacts en face arrière
34 TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES EXISTANTES Module Silicium amorphe simple et triple jonction 34 Module Silicium amorphe : Données générales Rendement : 3 à 10% (simple jonction), 6 à 13% (jonction multiple) Apparence : uniforme Couleur : bleu foncé, reflet bruns Composition et particularités Possibilités de cellules multi-jonction: Exemple«triple jonction»: chaque cellule est composée de trois jonctions superposées de semi-conducteurs. La jonction inférieure absorbe la lumière rouge, celle du milieu la lumière verte/jaune et la couche supérieure la lumière bleue. Absorption d une plus grande partie du spectre solaire d où de meilleures performances que le a-si simple jonction. Avantages Fort pouvoir absorbant autorisant de très faibles épaisseurs Fabrication simple, bon marché et peu énergivore, possibilité de substrat flexible Bonnes performances sous faible ensoleillement et faible sensibilité à la température (P ~ - 0,20%/ C) Inconvénients Rendement surfacique faible (60-70 Wc/m²) Temps de stabilisation des performances
35 TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES EXISTANTES Module CdTe 35 Module CdTe: Données générales Rendement des modules: 7 à 11 % Taille standard : 1,2*0,6 (m) Apparence : Uniforme Couleur :De gris foncé à noir Composition et particularités Principal matériau de composiyon : Tellurure de Cadmium couche mince Avantages Faible coût de production Possibilité de substrats flexibles Bon rendementen éclairement faible ou diffus Inconvénients Faibles rendements ( Wc/m²) Toxicité du Cadmium Rareté du Tellurure Peu de fabricants (first Solar) Composition et répartition en couches (Source: Calyxo)
36 36 UN PEU D HISTOIRE. PRINCIPE DE FABRICATION DES MODULES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET PERFORMANCES TOUR D HORIZON DES TECHNOLOGIES LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL
37 LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL Marché des cellules : répartition par acteurs et par régions 37 Source : IEA PVPS, RTS CORPORATION Chiffres 2013
38 LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL Offre de modules présente sur le marché 38 Place de la chine
39 LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL Coût actuel des différentes technologies 39 Source : IRENA
40 LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL
41 LA SITUATION DU MARCHE ACTUEL principaux acteurs du marché francais 41 - PhotoWatt (Bourgoin Jallieu, 100 MWC): - Sillia VL (Lannion) - VOLTEC (Alsace) - SCNA solar (Tourouvre Normandie) - Fontroche (90MWc/an) - FranceWatts (laminés sans cadre) Source : VOLTEC
42 MERCI POUR VOTRE ATTENTION.. 42
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