Etude D'une Cellule Photovoltaique Enseignement Scientifique Corrigé

L'étude d'une cellule photovoltaïque en enseignement scientifique se focalise sur la conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique. Cette conversion repose sur l'effet photovoltaïque. Un semi-conducteur est utilisé. Le silicium est le matériau le plus courant.

Le silicium est dopé différemment pour créer deux couches : une couche de type n et une couche de type p. La jonction entre ces deux couches crée un champ électrique.

Quand un photon frappe la cellule, il peut être absorbé par le matériau semi-conducteur. Si l'énergie du photon est suffisante, un électron est libéré. Cet électron laisse derrière lui un "trou".

Le champ électrique à la jonction p-n sépare les électrons et les trous. Les électrons sont poussés vers la couche n. Les trous sont poussés vers la couche p.

Cette séparation crée une différence de potentiel électrique. Cette différence est une tension. Elle est mesurable entre les deux faces de la cellule. On l'appelle tension en circuit ouvert (Voc).

Si un circuit électrique est connecté à la cellule, les électrons peuvent circuler. Ils vont de la couche n vers la couche p. Ce flux d'électrons constitue un courant électrique.

Le courant maximal que la cellule peut fournir est appelé courant de court-circuit (Isc). Ce courant dépend de l'intensité lumineuse incidente. Il est directement proportionnel à celle-ci.

La puissance électrique maximale que la cellule peut délivrer (Pmax) est le produit de la tension et du courant au point de puissance maximale. Ce point n'est ni Voc ni Isc.

Le rendement d'une cellule photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique maximale délivrée et la puissance lumineuse incidente. Il est exprimé en pourcentage.

Plusieurs facteurs influencent le rendement. La qualité du matériau semi-conducteur est primordiale. Les impuretés diminuent le rendement. La température affecte aussi le rendement. Une température plus élevée diminue le rendement.

L'angle d'incidence de la lumière joue un rôle. Un angle perpendiculaire maximise l'absorption. Des traitements de surface antireflets augmentent l'absorption.

Les cellules photovoltaïques sont connectées en série et en parallèle pour former des modules. Une connexion en série augmente la tension. Une connexion en parallèle augmente le courant.

Les modules sont ensuite assemblés en panneaux photovoltaïques. Ces panneaux sont installés pour produire de l'électricité solaire.

Mesures et Caractéristiques

Pour caractériser une cellule photovoltaïque, on trace sa courbe I-V (courant-tension). Cette courbe permet de déterminer les paramètres importants. On mesure la tension en circuit ouvert (Voc). On mesure le courant de court-circuit (Isc). On identifie le point de puissance maximale (Vm, Im).

On utilise un générateur de lumière calibré pour simuler le rayonnement solaire. L'intensité lumineuse est mesurée. Un voltmètre et un ampèremètre sont utilisés pour mesurer la tension et le courant. Une résistance variable permet de faire varier la charge.

Les données sont enregistrées. On trace la courbe I-V. On calcule la puissance P = V x I pour chaque point de la courbe. On identifie le point où la puissance est maximale.

Le facteur de forme (FF) est un indicateur de la qualité de la cellule. Il est défini comme le rapport entre la puissance maximale (Vm x Im) et le produit de Voc et Isc. FF = (Vm x Im) / (Voc x Isc). Un facteur de forme élevé indique une meilleure qualité.

Modélisation

Un modèle électrique simple d'une cellule photovoltaïque comprend une source de courant, une diode, une résistance série et une résistance parallèle.

La source de courant représente le courant généré par la lumière. La diode représente la jonction p-n. La résistance série représente les pertes dues à la résistance du matériau et des contacts. La résistance parallèle représente les fuites de courant.

L'équation caractéristique de la cellule photovoltaïque est dérivée de ce modèle. Elle relie le courant, la tension, les paramètres du modèle et les caractéristiques de la cellule.

La modélisation permet de simuler le comportement de la cellule dans différentes conditions. On peut ainsi prédire son rendement et optimiser sa conception.

Applications

Les cellules photovoltaïques sont utilisées dans de nombreuses applications. Elles alimentent des calculatrices, des montres et d'autres petits appareils. Elles sont utilisées dans les panneaux solaires pour produire de l'électricité pour les maisons et les entreprises.

Elles sont utilisées dans les satellites pour alimenter leurs systèmes. Elles sont utilisées dans les voitures solaires. Elles sont utilisées dans les centrales solaires à grande échelle.

Le développement des cellules photovoltaïques est en constante évolution. Les chercheurs travaillent sur de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies pour améliorer leur rendement et réduire leur coût. Les cellules pérovskites sont une piste prometteuse. Les cellules à concentration solaire sont une autre.