Paramètres des cellules solaires et caractéristiques des panneaux PV : Guide complet

Paramètres et caractéristiques d'une cellule photovoltaïque

Qu'est-ce exactement qu'une cellule photovoltaïque solaire ?

Une cellule solaire est un dispositif semi-conducteur qui peut convertir le rayonnement solaire en électricité. Sa capacité à convertir la lumière du soleil en électricité sans conversion intermédiaire la rend unique pour exploiter l'énergie solaire disponible en électricité utile. C'est pourquoi elles sont appelées cellules photovoltaïques solaires. La Fig. 1 montre une cellule solaire typique.

Divers facteurs régissent l'électricité générée par une cellule solaire tels que ;

• L'intensité de la lumière : Plus la lumière du soleil tombe sur la cellule, plus l'électricité générée par la cellule est importante.
• Surface de la cellule : En augmentant la surface de la cellule, le courant généré par la cellule augmente également.
• L'angle d'incidence : Si la lumière tombant sur la cellule est perpendiculaire à sa surface, la puissance générée est optimale. Idéalement, l'angle devrait être de 90^o mais pratiquement il devrait être aussi proche que possible de 90^o.

La cellule solaire est un dispositif à deux bornes. L'une est positive (anode) et l'autre négative (cathode). Un arrangement de cellules solaires est appelé module solaire ou panneau solaire, tandis qu'un arrangement de panneaux solaires est appelé champ photovoltaïque.

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Fonctionnement d'une cellule solaire

La lumière du soleil est un groupe de photons ayant une quantité finie d'énergie. Pour la génération d'électricité par la cellule, elle doit absorber l'énergie du photon. L'absorption dépend de l'énergie du photon et de l'énergie de bande interdite du matériau semi-conducteur solaire et s'exprime en électron-volt (eV).

Les photons sont absorbés par le matériau semi-conducteur, ce qui entraîne la génération de paires électron-trou, où les électrons sont des charges négatives et les trous des charges positives. Lorsqu'une charge est connectée, il y a une séparation des électrons et des trous au niveau de la jonction, les trous se déplacent vers le côté anode et les électrons vers le côté cathode.

Ainsi, la séparation de ces deux charges crée une différence de potentiel électrique et nous obtenons une tension aux bornes de la cellule. Cette tension est utilisée pour faire circuler le courant dans le circuit.

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Paramètres de la cellule solaire

La conversion de la lumière du soleil en électricité est déterminée par divers paramètres d'une cellule solaire. Pour comprendre ces paramètres, nous devons regarder la courbe I-V comme montrée dans la figure 2 ci-dessous. La courbe a été tracée sur la base des données du tableau 1.

Tableau 1

Ampères	Volts	Watts
0	VOC = 11,4	0
0,2	11,06	2,21
0,4	10,59	4,24
0,5	10,24	5,12
0,6	9,54	5,72
0,61	9,39	5,73
IM = 0,62	VM = 9,27	PM = 5,75
0,63	9,08	5,72
0,64	8,72	5,58
ISC = 0,65	0	0

Les paramètres de la cellule sont donnés par les fabricants aux STC (Conditions Standards de Test). Sous STC, le rayonnement solaire correspondant est égal à 1000 W/m² et la température de fonctionnement de la cellule est égale à 25^oC. Les paramètres de la cellule solaire sont les suivants ;

Courant de court-circuit (I_SC) :

Le courant de court-circuit est le courant maximal produit par la cellule solaire, il est mesuré en ampère (A) ou milli-ampère (mA). Comme on peut le voir dans le tableau 1 et la figure 2, la tension à vide est nulle lorsque la cellule produit le courant maximal (I_SC = 0,65 A).

La valeur du courant de court-circuit dépend de la surface de la cellule, du rayonnement solaire tombant sur la cellule, de la technologie de la cellule, etc. Parfois, les fabricants donnent la densité de courant plutôt que la valeur du courant. La densité de courant est notée « J » et la densité de courant de court-circuit est notée « J_SC ». La densité de courant de court-circuit est obtenue en divisant le courant de court-circuit par la surface des cellules solaires comme suit :

J_SC = I_SC / A

Prenons un exemple, une cellule solaire a une densité de courant de 40 mA/cm² aux STC et une surface de 200 cm². Alors le courant de court-circuit peut être déterminé comme suit ;

I_SC = Jsc × Surface = 40 mA/cm² × 200 cm² = 8000 mA = 8 A

Tension à vide (V_OC) :

La tension à vide est la tension maximale que la cellule peut produire dans des conditions de circuit ouvert. Elle est mesurée en volt (V) ou milli-volt (mV). Comme on peut le voir dans le tableau 1 et la figure 2, le courant de court-circuit est égal à zéro lorsque la cellule produit la tension maximale. La valeur de V_OC dépend de la technologie de la cellule et de la température de fonctionnement de la cellule.

Point de puissance maximale (P_M) :

Le point de puissance maximale représente la puissance maximale qu'une cellule solaire peut produire aux STC (c.-à-d. rayonnement solaire de 1000 W/m² et température de fonctionnement de la cellule de 25^oC). Elle est mesurée en W_c (Watt-crête) ou simplement W_c. En dehors des STC, la cellule solaire a P_M à différentes valeurs de rayonnement et de température de fonctionnement de la cellule.

La cellule peut fonctionner à différentes combinaisons de courant et de tension. Mais elle ne peut produire la puissance maximale P_M qu'à une combinaison particulière de tension et de courant. Comme montré dans la figure 2, le point de puissance maximale se trouve au coude de la courbe I-V et est le produit de I_M et V_M

P_M = I_M × V_M = 0,62 × 9,27 = 5,75 W_c

Courant au point de puissance maximale (I_M) :

Il représente le courant que la cellule solaire produira lorsqu'elle fonctionnera au point de puissance maximale. Il est noté I_M et on peut voir dans la figure 2 que sa valeur est toujours inférieure au courant de court-circuit (I_SC). Il est mesuré en ampère (A) ou milli-ampère (mA).

Tension au point de puissance maximale (V_M) :

Il représente la tension que la cellule solaire produira lorsqu'elle fonctionnera au point de puissance maximale. Il est noté V_M et on peut voir dans la figure 2 que sa valeur est toujours inférieure à la tension à vide (V_OC). Il est mesuré en volts (V) ou millivolts (mV).

Facteur de remplissage (FF) :

Il représente la surface couverte par le rectangle I_M – V_M par rapport à la surface couverte par le rectangle I_SC – V_OC comme montré par les lignes pointillées dans la figure 2. Le facteur de remplissage représente le caractère carré de la courbe I-V. Il est représenté en pourcentage (%), plus le facteur de remplissage en pourcentage est élevé, meilleure est la cellule.

FF = P_M / (I_SC × V_OC)

Sur la base des données du tableau 1 et de la figure 2, nous pouvons déterminer le facteur de remplissage comme suit ;

FF = [5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 = 77,59 %

Représenté en pourcentage en le multipliant par 100.

Rendement (ƞ) :

• Le rendement d'une cellule solaire est défini comme la puissance de sortie maximale (P_M) divisée par la puissance d'entrée (P_IN). Il est mesuré en pourcentage (%), ce qui indique quel pourcentage de la puissance de la lumière solaire d'entrée est converti en puissance électrique. La puissance d'entrée est la densité de puissance. Par conséquent, pour calculer le rendement, multipliez P_IN aux STC par la surface. Le rendement peut être calculé comme suit ;

ƞ = P_M / (P_IN × Surface)

Si la surface donnée de la cellule est de 0,01 m², P_M = 5,75 W_c, alors le rendement aux conditions standards de test peut être donné comme ;

ƞ = [5,75 W_c / (1000 W/m² × 0,01 m²)] = 57,5 %

Représenté en pourcentage en le multipliant par 100.

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Technologies photovoltaïques

Une grande variété de cellules solaires sont disponibles sur le marché, le nom de la technologie de la cellule solaire dépend du matériau utilisé dans cette technologie. Donc, différentes cellules ont différents paramètres de cellule comme la densité de courant de court-circuit, le rendement, la tension à vide, le facteur de remplissage, etc. Le tableau 2 suivant montre la liste des cellules disponibles commercialement et leur gamme de valeurs de paramètres.

Tableau 2

Type de cellule	Rendement (%)	Tension à vide (V)	Densité de courant (mA/cm2)	Surface de la cellule (cm2)	Facteur de remplissage (FF)
Silicium monocristallin	14 – 17	0,55 – 0,68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Silicium multicristallin	14 – 16	0,55 – 0,65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Silicium amorphe	6 – 9	0,70 – 1,1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Tellurure de cadmium	8 – 11	0,80 – 1,0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Cuivre-indium-gallium-sélénium	8 – 11	0,50 – 0,7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Arséniure de gallium	30 – 35	1,0 – 2,5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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Facteurs affectant la puissance générée par les cellules solaires

Rendement de conversion (ƞ) :

Toute la lumière tombant sur la cellule solaire n'est pas convertie en énergie électrique. Le rendement de conversion est défini comme le rapport de l'énergie électrique générée à l'énergie lumineuse d'entrée. Nous ne pouvons pas changer le rendement de la cellule, basé sur le processus de fabrication et le matériau utilisé, sa valeur reste fixe.

La puissance maximale de la cellule solaire P_M dépend de la tension qu'elle développe aux bornes de la cellule et du courant qu'elle peut fournir. La surface de la cellule est l'un des facteurs importants qui affectent la puissance de sortie développée par la cellule. La valeur de la puissance de sortie peut être déterminée pour une puissance d'entrée donnée en (W/m²), le rendement de conversion de la cellule en (%), et la surface de la cellule en (m²).

Le rendement de la cellule solaire est donné sous STC et la puissance d'entrée (P_IN) est prise comme 1000 W/m². Ainsi, en utilisant la formule donnée ci-dessous, nous pouvons déterminer la puissance de sortie générée pour différents rendements.

P_M = (P_IN × Surface) × ƞ

Disons que nous devons calculer la puissance de sortie aux STC avec des rendements de 30% et 25% et une surface de 0,01 m². Ainsi, pour un rendement de 30%, nous obtenons ;

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,30 = 3 W_c

Et pour un rendement de 25%, nous obtenons ;

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2,5 W_c

Quantité de lumière d'entrée :

L'intensité de la lumière tombant sur la cellule change constamment tout au long de la journée. Selon la lumière tombant sur la cellule, le courant et la tension de la cellule changent. Le courant généré par la cellule est directement dépendant de la lumière tombant sur elle.

Du matin jusqu'à l'après-midi, la lumière tombant sur la cellule augmente, donc le courant généré par la cellule augmente également. De l'après-midi au coucher du soleil, la lumière tombant sur la cellule diminue, donc le courant généré par la cellule diminue également. Il n'y a pas de variation majeure de la tension de sortie de la cellule car elle n'est pas affectée par la variation de la lumière du soleil.

Prenons un exemple pour calculer la puissance de sortie pour une cellule ayant une surface de 0,01 m² pour une puissance d'entrée de 1000 W/m² et 800 W/m² avec un rendement de 25%. Ainsi, pour une puissance d'entrée de 1000 W/m², nous obtenons la puissance de sortie comme suit ;

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2,5 W_c

Et pour une puissance d'entrée de 800 W/m² ;

P_M = (800 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2 W_c

Comme nous pouvons le voir, il y a une diminution de la puissance de sortie due à une diminution de la puissance d'entrée. Ainsi, la quantité de puissance générée par la cellule est proportionnelle à la lumière du soleil.

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Surface de la cellule :

Le courant de court-circuit de la cellule solaire dépend de la surface de la cellule. Le courant de sortie est directement proportionnel à la surface de la cellule. Plus la surface de la cellule est grande, plus le courant généré est important et vice versa. Par exemple, une surface de 200 cm² produira 2 A de courant et une surface de 200 cm² produira 4 A de courant pour la même irradiance de 1000 W/m².

Comme nous l'avons vu précédemment, la densité de courant est obtenue en divisant le courant par la surface de la cellule. La densité de courant (J_SC) est fixée pour une intensité de lumière donnée et ne dépend pas de la surface. Prenons un exemple où nous devons calculer le courant de sortie de la cellule solaire ayant une surface de 20 cm² et 50 cm².

Avec une densité de courant constante de 35 mA/m². Le courant de sortie pour 20 cm² peut être calculé comme suit ;

I_SC = J_SC × Surface = 35 mA/m² × 20 cm² = 0,70 A

Le courant de sortie pour 50 cm² peut être calculé comme suit ;

I_SC = J_SC × Surface = 35 mA/m² × 50 cm² = 1,75 A

Ainsi, d'après le calcul ci-dessus, il est clair que plus la surface de la cellule est grande, plus la valeur du courant est élevée et plus la surface de la cellule est petite, plus la valeur du courant est faible.

Angle de la lumière (θ) :

La cellule solaire produit la puissance de sortie maximale pour un rayonnement solaire donné lorsque l'angle de la lumière et de la cellule sont perpendiculaires l'un à l'autre (c.-à-d. 90^o) comme montré dans la figure 3. Lorsque l'angle d'incidence de la lumière est inférieur ou supérieur à 90^o comme montré dans la figure 3, elle produira une puissance de sortie inférieure à la capacité maximale de la cellule.

Lorsque la lumière tombe à un angle supérieur ou inférieur à 90^o, une partie de la lumière est réfléchie, et la lumière utilisée par la cellule est inférieure à celle qui tombe réellement dessus. Cela entraîne une réduction de la puissance de sortie générée par la cellule. C'est pour cette raison que nous devons installer la cellule solaire à un angle perpendiculaire à la lumière incidente pour générer l'électricité maximale possible.

Température de fonctionnement (T) :

Les fabricants fournissent la tension, le courant et la puissance nominale de la cellule aux STC avec une irradiance de 1000 W/m² et une température de 25^oC. Mais en pratique, la température de la cellule solaire varie en raison de la température ambiante et en outre, les cellules sont enfermées dans du verre, ce qui fait encore augmenter la température de la cellule solaire.

Ce changement de température affecte la tension, la puissance et le rendement de la cellule ; l'augmentation de la température de la cellule au-dessus des STC réduit la sortie de ces paramètres. La diminution de ces paramètres diffère selon les cellules solaires disponibles sur le marché.

Prenons un exemple pour comprendre la diminution d'un des paramètres (c.-à-d. la tension). Une cellule a une tension de sortie de 0,9 V aux STC. La température de fonctionnement de la cellule est de 50^oC. La tension de sortie de la cellule diminue de 2,1 mV/^oC. Quelle peut être la nouvelle valeur de la tension de sortie ?

ΔT = T_réelle – T_standard = 50 – 25 = 25^oC

La tension de sortie réduite = Tension à vide (V_OC) aux STC – (Diminution de tension × ΔT) = 0,9 – (2,1 × 10^-3 × 25) = 0,84 V

D'après le calcul ci-dessus, on peut conclure qu'il y a une diminution de la tension de sortie si la température dépasse les STC (c.-à-d. au-dessus de 25^oC).

Conclusion

C'est grâce au développement de la technologie des semi-conducteurs que nous pouvons convertir l'abondante lumière solaire en électricité. Dans cet article, nous avons étudié le fonctionnement de la cellule solaire, les différents types de cellules, ses divers paramètres comme la tension à vide, le courant de court-circuit, etc. qui nous aident à comprendre les caractéristiques de la cellule. Les facteurs affectant la puissance générée par la cellule ont également été étudiés, y compris le rendement de conversion, la quantité de lumière d'entrée, la surface de la cellule, etc. qui affectent les performances et nous aident à comprendre le comportement de la cellule dans différents scénarios. Avec la compréhension de la technologie des cellules solaires, nous pouvons l'utiliser de la meilleure façon possible pour répondre à nos besoins énergétiques quotidiens.