Les cellules photovoltaïques s'usent-elles


 

On parle de 25 ans de durée de vie. Les producteurs parlent d'une diminution de rendement à 85-92% par rapport à la valeur de départ de 100% (*). Il y a 10 ans ils disaient 80%. Le processus physique de diminution du rendement est l'ionisation de la membrane de plastique qui couvre les cellules d'un panneau; comme une cataracte; les cellules ne voient plus la lumière. Mais après 25 ans, un panneau de cellules PV n'est pas à jeter. Et on pourrait remplacer la membrane?
(*) les rendements de cellules au silicium monocristallin sont de l'ordre de 14%.Voir plus loin à rendements. Ne pas confondre rendements et taux d'utilisation.  Le taux d'utilisation est le % d'heures dans l'année (8760h) pendant lesquelles une installation PV donne sa puissance crête... par exemple 1450h d'ensoleilement soit 16.5%. Evidemment si on fait le produit des deux, soit 2.31% cela montre toute la difficulté de transformer l'énergie du soleil en énergie utile.

Principe

Les cellules photovoltaïques exploitent l'effet photoélectrique pour produire du courant continu par absorption du rayonnement solaire. Cet effet - cad. les photons - permet aux cellules de convertir directement l’énergie lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur qui mobilise les charges électriques des atomes - les électrons.

Une cellule photovoltaïque est composée de deux types de matériaux semi-conducteurs, l’une présentant plus  d’électrons libres que l’autre qui en présente moins; c'est cette différence entre les deux électrodes qui permet de faire échanger les électrons,  donc créer un flux, ce qui est précisément l'électricité. Ces deux électrodes sont respectivement dites "dopées" de type n et de type p. Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau. Un atome de silicium compte 4 électrons périphériques. L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes de phosphore qui, eux, comptent 5 électrons (soit 1 de plus que le silicium). On parle de dopage de type n comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore qui ont 3 électrons (1 de moins que le silicium). On parle de dopage de type p comme positif en raison du déficit d’électrons ainsi créé. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n se diffusent dans le matériau p.

Une cellule photovoltaïque fonctionne donc par le soleil qui mobilise les électrons, et un circuit fermé qui relié les deux electrodes. Si le circuit est ouvert, cad. pas connecté à des consommateurs du flux d'électrons - ce qui est l'électricité - il n'y a pas de flux d'électrons de n vers p donc pas d'électricité produite.

 

et ici une base de connaissances sur le photovoltaïque qu'il est bon de lire.

et ici mieux mais plus technique sur Wikipedia

Rendements

Le rendement c'est l'énergie sortante d'une cellule sous forme d'électricité divisée par l'énergie qui y rentre sous forme d'énergie solaire. Ces énergies se mesurent en Watts.

Les cellules photovoltaïques sont des composants électroniques à semi-conducteurs qui, lorsqu'ils sont éclairés par le rayonnement solaire, développent une force électromotrice capable de débiter un courant dans un circuit extérieur. Leur fiabilité et leur faisabilité ont été largement prouvées depuis les années 1960, puisque la plupart des satellites artificiels utilisent ces dispositifs pour tirer directement leur énergie du rayonnement solaire (qui atteint 1350 W/m2 par seconde hors de l'atmosphère). Sur terre, l'absorption préférentielle par l'atmosphère de certaines longueurs d'onde modifie quelque peu le spectre solaire, mais l'énergie fournie est toujours importante, non polluante, inépuisable et assez uniformément répartie à la surface du globe. En effet, l'énergie annuelle globale (qui représente plus de 10 000 fois la consommation mondiale d'énergie) ne varie que d'un facteur 2 des régions nordiques aux régions les plus favorisées, souvent tropicales et désertiques.

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Pour nous, nous sommes dans l'isobande 1100-1400kWh/m2 et par an soit 1250kWh/m2 et par an.

Puissance crête et rendement

La puissance est le produit de la Tension par l’Intensité (P = UxI). La puissance maximale d’un panneau photovoltaïque est  fonction de l’éclairement. On parle de puissance crête Pc.

L’énergie solaire qui atteint la frontière externe de l’atmosphère faisant face au soleil, est communément mesurée à 1360 W/m2 (avec une variation de quelques pour cent dans l’année). Lors de la traversée de l’atmosphère, ce rayonnement de 1360 W/m2 subit des déperditions, du fait de son absorption par les gaz atmosphériques et de la vapeur d’eau. C’est pour cela qu’on admet que les conditions normalisées d’ensoleillement - appelées  STC (Standard Test Conditions) -  sont 1 000 W/m2, un spectre solaire AM 1,5 et 25°C de température ambiante.

Cela correspond à un ensoleillement assez fort, le soleil au zénith, le ciel parfaitement dégagé (ce qui  est exceptionnel).

Le rendement maximal d’un panneau photovoltaïque sera alors le rapport entre la puissance crête générée et la puissance lumineuse reçue en condition STC (Standard Test Conditions) (1 000 W/m2) par  la surface du panneau.

Prenons pour exemple un panneau en silicium poly-cristallin de 40 W (2,35 A/ 17 V) d’une surface de 360 cm2. Le rendement de ce panneau sera de 11% (40 W : [0,36 m2 x 1 000 W/m2]).

Les rendements possibles suivant les technologies

NB: les technologies du photovoltaïque sont en pleine évolution.

Chaque technologie a un rendement différent suivant les conditions d’éclairement :

Silicium monocristallin :

  • Rendement de 15 à 20 % STC.
  • Puissance de 5 à 300 Watts crête.
  • Gamme d’éclairement de 100 à 1 000 W/m2.

Silicium polycristallin :

  • Rendement de 12 à 17 % STC.
  • Puissance de 5 à 300 Watts crête.
  • Gamme d’éclairement de 200 à 1 000 W/m2.

Silicium amorphe :

  • Rendement de 5 à 7 % STC (jusqu’à 12 % pour les multi-jonctions).
  • Puissance de 0 à 1 Watts crête pour les photogénérateurs intérieurs.
  • Puissance de 0,5 à 90 Watts crête pour les photogénérateurs extérieurs.
  • Gamme d’éclairement de 20 lux (intérieur) à 1 000 W/m2.