Introduction au solaire photovoltaïque

Introduction au solaire photovoltaïque Alain Straboni Sté S Tile SA - Pôle des Eco Industries Poitiers www.silicontile.com Iut- Poitiers - Sept 2009

Objectifs du cours Connaître les principes de fonctionnement des composants photovoltaïques, en particulier les cellules à semiconducteurs, Connaître les tendances en matière de technologie, matériaux, procédés et systèmes de production PV autonomes ou raccordé au réseau

Le PV : au nord comme au sud des modules produisant du courant sous le rayonnement solaire

L effet PV : une diode issue d un matériau semi-conducteur

Plan 1. L Energie solaire Photovoltaïque 2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 3. Les procédés de fabrication 4. Cellules - panneau- systèmes photovoltaïques 5. Conclusion et Perspectives de développement

1. L Energie solaire Photovoltaïque 1.1. Le gisement solaire Le soleil est la principale source d'énergie pour l'atmosphère terrestre. Cette énergie est issue de réactions de fusion thermonucléaire : H + H -> D. Elle n est pas équitablement distribuée mais elle est disponible partout sans nécessité de la transporter. l'énergie solaire* reçue par la Terre représente par an près de 15 000 fois la totalité de la consommation énergétique mondiale actuelle!

1. L Energie solaire Photovoltaïque 1.1. Le gisement solaire Associée pendant longtemps à un moyen de produire de l énergie électrique dans les zones reculées, les pays du Sud Utilisation en pompage, réfrigération, petite électricité...

1. L Energie solaire Photovoltaïque 1.1. Le gisement solaire Aujourd hui en grand développement au nord... Connecté au réseau En toits, façades,... Brises soleil.. Etc..

1. L Energie solaire Photovoltaïque 1.2. Etat de la production - tendances PV Cellule/Module Production (1998-2008) en MW From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.

1. L Energie solaire Photovoltaïque 1.2. Etat de la production - tendances Top ten worldwide From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.

1. L Energie solaire Photovoltaïque 1.2. Etat de la production - tendances Tendances du marché From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.

1. L énergie solaire photovoltaïque 1.3 - Principe -1839 découverte par le physicien Becquerel de l effet photovoltaïque, L expérience de Becquerel Un phénomène photo-électrochimique I Plaque de cuivre oxydée Contre-électrode l énergie lunineuse peut se transformer directement en électricité. 1883 : 1ère photopile -Charles Fritts 0,2% 1954 : Des chercheurs (USA) créent une photopile de R = 6%

Rendement de conversion 5 à 30 % suivant le matériau semi-conducteur et suivant utilisés IUT PV la Septtechnologie 2009

1. L énergie solaire photovoltaïque 1.4 - Energie et Puissance d une installation Barrage hydroélectrique : débite masse m/seconde Chaque seconde, au bas de la chute, une masse d eau m passe en transportant l énergie mgh. Soit une puissance P = mgh joules /1 seconde h P = E/ t en Watt mgh 1 seconde mgh 1 seconde L installation va débiter un nombre constant de Watt. (1 Watt = 1 joule/seconde) Si la chute d eau tourne pendant une heure, on pourra évaluer la quantité d énergie IUT produite PV Sept 2009 E = P. t

1. L énergie solaire photovoltaïque 1.4 - Energie et Puissance d une installation Pour une installation électrique on calculera une consommation d énergie en multipliant la puissance P par le temps (en s) ou même en heure, on aura alors des Watt.heure (W.h). V I ampères I ampères 1 seconde 1 seconde 1000 Wh ou 1 kw.h est l unité d énergie choisie par EDF pour évaluer la consommation d énergie Une tranche de centrale nucléaire de puissance 1500 MW va fournir une énergie annuelle égale au produit de sa puissance par sa durée de fonctionnement.

1. L énergie solaire photovoltaïque 1.4 - Energie et Puissance d une installation Puissance crête Puissance électrique Fournie par une cellule ou un module PV pour une énergie lumineuse reçue Standard AM 1.5 = 1000W/m 2 Une tranche de centrale nucléaire de puissance 1500 MW va fournir une énergie IUT PV Sept annuelle 2009 égale au produit de sa puissance par sa durée de fonctionnement.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN La cellule semi-conductrice à jonction PN est composée de : - pistes métalliques, de couches anti-reflet, - et de semi-conducteurs dopés N et P Vco sortie = 0,6 V D où vient IUT cette PV Sept tension, 2009 ce courant?

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.1 Semi-concteurs et conducteurs Le métal La cohésion du réseau cristallin (atomes ou ions fixes en jaune) est assurée par l interaction entre les ions positifs et le nuage d électrons libres (charges mobiles en bleu)!

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.1 Semi-concteurs et conducteurs Le semi-conducteur Dans les semi-conducteurs (Si, Carbone diamant..),les électrons sont engagés dans des liaisons fortes avec les atomes, un Silicium partage ses 4 électrons avec les Silicium voisins. Les électrons fortement liés Aux atomes du réseau ne sont pas libres. semi-conducteur = isolant

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.1 Bandes d énergie!: conducteurs et semi-conducteurs Les électrons dans les métaux ont toujours des niveaux libre dans Lesquels ils se déplacent : bandes d énergie autorisées. Pour les semi-conducteurs Au dessus... BANDE INTERDITE.!

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.1 Bandes d énergie!: conducteurs, isolants et semi-conducteurs Semiconducteur! Bande interdite (en ev) à 300 K!!! C (diamant)!!!! 5.47 Si!!!!!! 1.12 Ge!!!!!! 0.66 SiC!!!!!! 3.0 GaAs!!!!! 1.43 GaP!!!!!! 0.67 GaSb!!!!! 0.67 InSb!!!!!! 0.16 InAs!!!!!! 0.33 InP!!!!!! 1.29 L énergie du gap permet de distinguer les conducteurs, des semiconducteurs et des isolants. Le gap est non existant dans les matériaux conducteurs. Il vaut de l ordre d un ev ou d une fraction d ev pour les semi-conducteurs et de l ordre de 4 ev ou supérieur pour les isolants.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.1 Bandes d énergie!: conducteurs, isolants et semi-conducteurs Autres semi-conducteurs : Famille des couches minces Si amorphe CdTe Tellure Cadmium CI(G)S : Cuivre Indium (Gallium) Selenium Par rapport aux matéraiux massifs cristallins, les semiconducteurs en couches minces n ont pas montré la même durée de vie - problème de stabilité. (pb de certification à t > 25 ans).

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique Si l énergie luminseuse (photon) est supérieure à l énergie du gap, l électron peut avoir l énergie suffisante pour passer dans la bande ce conduction ; on a création d un électron libre et d un trou ; c est la photo-conductivité. Pour avoir un générateur photovoltaïque, il faudra la photo-génération de paires électron-trou et il faudra créer une différence de potentiel ddp.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique Relation de conversion!: E (ev) = 1,24 ev/!(µm) La lumière rouge émise par un laser Hélium-Néon par ex, a une longueur d onde de 0,6 µm!; l énergie d un photon, environ 2 ev, suffit à créer Des photo-porteurs dans le Si.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.2 Conversion énergie lumineuse - courant électrique Le silicium a une sensibilté spectrale qui lui permet d absorber une grande partie du rayonnement solaire.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.3 Dopage des semi-conducteurs On a vu qu'un semi-conducteur pur est isolant. On peut moduler la conductivité d un semi-conducteur par dopage On introduit certaines impuretés qui vont faire varier le nombre de porteurs (électrons et trous) de plusieurs ordres de grandeur.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.3 Dopage des semi-conducteurs Le phosphore pentavalent (Colonne V) après s être substitué à un atome de silicium, et avoir formé 4 liaisons covalentes présente un électron célibataire. Dans le cas du Bore trivalent (Colonne III), le cortège élec- -tronique présente un déficit. Cette absence d électron s appelle un trou.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.4 Jonction PN P Electron trou ZQN trous + + + + ZCE + + + + + + + + ZQN N La cellule PV est une jonction PN Lorsqu on met en contact les régions P et N. En l absence de polarisation et à l obscurité, les trous de P migrent vers N. (Inverse pour les électrons). A la jonction apparaît un champ Electrique. + + + + P électrons + + + + N

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.4 Jonction PN Il y a apparition d'un barrière d'énergie interne ev o (ou barrière de potentiel V o ) qui est à l'origine de la jonction PN Energie E (ev) ev 0 E g E F e.v O < Eg Donc une fraction de Volt pour Si distance x

Génération de porteurs + Jonction = cellule PV La tension de sortie d une cellule à vide Vco = 0,6 V ; compte tenu des chutes de potentiel,iut enpvcharge la contribution d une cellule Sept 2009 dans un panneau chute en moyenne à 0,33 V

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.4 Jonction PN Caractéristique d une diode à jonction PN + I Pour V > 0 le courant passe Pour V < 0,6 V I tend vers 0 I photo Sous éclairement un courant négatif apparait. La jonction génère un courant.

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.4 Jonction PN Caractéristiques d un cellule solaire à jonction PN Icc Les caractéristiques d une Cellule PV : Vco : tension de circuit ouvert Icc : courant de court-circuit Puissance max Facteur de remplissage : FF Vco

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.4 Jonction PN Puissance d un cellule solaire Dans la caractéristique I- V d une Cellule PV : La Puissance passe par une Valeur maximum Facteur de remplissage : FF = Pmax/Voc.Icc

2. Matériau semiconducteur et Cellule solaire à jonction PN 2.4 Jonction PN Influence de la Température Si T augmente : I augmente, V diminue plus que I La Puissance de sortie chute

3. Les procédés de fabrication 3.1 La filière silicium Abondant, bon marché, facile à préparer Constitue la base des silicate, sous forme de sable, quartz S obtient par réduction de SiO2 : SiO 2 + C -> Si + CO 2 Purification par distillation SiH 4, SiHCl 3 Stable jusqu à Tf: 1410 C (non vrai pour binaires, ternaires AsGa, InP,

Du silicium à la plaquette

La production de silicium : un boulot de chimistes

3. Les procédés de fabrication 3.1 La filière silicium Production métallurgique des lingots Si multicristallin Creuset froid (source EMIX France)

3. Les procédés de fabrication 3.2 Fabrication de la cellule

De la plaquette à la cellule et au module

3. Les procédés de fabrication 3.2 Fabrication de la cellule 1. Texturation surface 2. Dopage N face avant 3. Dopage P face arrière 4. Couche Anti-reflet (couche bleue SiN:) 5. Metallisations (procédés type imprimerie)

3. Les procédés de fabrication 3.2 Fabrication de la cellule Caractéristiques

3. Les procédés de fabrication 3.2 Fabrication de la cellule Record sur plaquette 125 x 125 mm 2 Publication Kyocera

3. Les procédés de fabrication 3.2 Fabrication de la cellule Les Records

3. Les procédés de fabrication 3.2 Fabrication de la cellule Performances de la cellule solaire 1. Réponse spectrale = sa réponse en courant suivant les longueurs d onde du rayonnement (UV, visible et IR) 2. Rendement = rapport de la puissance électrique rendue / puissance recue du soleil se donne en % (pour 1 soleil) 3. Son coût : se donne en "/W

4. Panneaux -Systèmes PV 4.1 Intégration des cellules De la cellule solaire.. La cellule semi-conductrice à jonction PN génère une tension de <1 V et puissance voisine de 1 à 3 W, ne permet pas d alimenter des appareils électriques (220V)...au panneau photovoltaïque = un gd nombre de cellules en série On relie entre elles un certain nombre de cellules pour obtenir un module photovoltaïque

4. Panneaux -Systèmes PV 4.2 Le panneau PV Le panneau photovoltaïque Fabrication semiautomatisée

4. Panneaux -Systèmes PV 4.2 Le panneau PV - fiche technique Le panneau photovoltaïque

4. Panneaux -Systèmes PV 4.2 Le panneau PV Le panneau photovoltaïque Durée de vie Supérieure à 30 ans Perte de puissance après 25 ans : garantie moins de 10% Maintenance électronique : aucune mécanique : dépoussiérer

4. Panneaux -Systèmes PV 4.2 Le panneau PV Le panneau photovoltaïque À Poitiers : 1200 kwh/kwc

4. Panneaux -Systèmes PV 4.2 Le panneau PV Le panneau photovoltaïque Prix du module par rapport à l ensemble

4. Panneaux -Systèmes PV 4.3 Les systèmes PV

4. Panneaux -Systèmes PV 4.3 Les systèmes PV Deux grandes options pour le solaire PV L habitat dispersé La connexion au réseau

le solaire PV autonome

le solaire PV autonome Le problème du photovoltaïque autonome : Il faut stocker l énergie pour son utilisation qd le soleil faiblit... Comment? 1. Le plus courant : Stockage sur batterie, 2. Ou transformer l énergie électrique en une autre énergie (voir filière H 2 ) 3. Déplacer le problème du stockage (sur le réseau par ex)

le solaire PV autonome Le photovoltaïque autonome pour le pompage de l eau

le solaire PV connecté au réseau

L intégration à l architecture urbaine : système de suivi (PV conf. Dresden 2006)

L intégration aux batiments

Les autres variantes du PV : Les grosses centrales -Sur les gros édifices en haute tension connectée au réseau, -Dans les zones désertiques avec production H2 par hydrolyse, -Les centrales PV à concentrations (ex parabole + cellule PV) - From PV News, Paul Maycock, editor; yearly February editions.

5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV Quel devenir pour la filière solaire PV?

La plus grosse centrale PV : Bavaria solarpark Allemagne -Inaugurée en 07-2005 - 250.00 m2 de panneaux - 10 MW - la prochaine : Portugal - Pour 2009, 62 MW, - 350.00 m2 de panneaux - 250 MEuros http://www.notre-planete.info/actualites/actu_687.php

5. Perspectives de développement 5.1 Le devenir de la filière PV

5. Perspectives de développement 5.2 Le coût du kwh Et à l avenir...quel rendement? quel prix?

Compétitivité Prix de l électricité solaire pour petits producteurs PV systèmes < 5 kw c system costs: 6 " /Wc capital investment payback time: 20 years interest rate: 4% inflation: 2% yearly maintenance costs 1% of the investment mounting at an optimum angle Source: European Commission, DG Joint Research Centre

Le retour sur investissement http://www.encyclo-ecolo.com/photovolta%c3%afque#tarif_de_rachat_de_l.27.c3.a9lectricit.c3.a9_issue_de_panneaux_solaires_2009

European Market Support Programs Country Germany Tariff ["ct/kwh] 48 62 Feed-in law Duration [a] 20 Cap [MW] - other support programs (I: Investment subsidy T: Tax reduction) Italy 44-49 20 100 / 300 Portugal 28 51 lifetime I, T Spain 22 40 25 300 I, T France 15 30 20 - complicated Greece planned Good progress in Europe for market acceleration! 80

5. Perspectives de développement Contribution of PV solar electricity to global electricity production in 2040 36,000 TWh 30 25 1 marine 2 geothermal 2040 [%] 20 15 10 5 3 biomass 4 hydro 5 wind 6 solar thermal 7 PV solar electricity 2001 0 1 2 3 4 5 6 7 ww electricity Source: Own estimates together with data from EREC /11/ and WBGU /12/ 81

Conclusion Une technologie qui progresse rapidement : - en Rendement et, - réduction de ses coûts de production Un marché en peine croissance, A la suite des marchés Allemands et Espagnols, Le marché français décolle grâce aux subventions La parité au réseau est atteinte dans certaines régions du monde, elle le sera Aussi en France en commençant par les zones Sud.