Table des matières

Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introduction générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introduction au volume I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Principales notations du volume I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I. Notions de base sur les convertisseurs photo voltaïques

1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. La cellule photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Paramètres du rayonnement solaire
    régissant le fonctionnement des cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Notions élémentaires de physique des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Interaction rayonnement matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Zone " utile " du spectre solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Pénétration du rayonnement dans le matériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Absorption du rayonnement dans le matériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. La structure de collecte des porteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

h. La génération du photocourant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i. Caractéristique I = f(V) d'une cellule photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . .

j. Schéma équivalent d'une cellule photo voltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

k. Influence des résistances série et shunt sur la caractéristique I-V . . . . . . . .

l. Extraction de la puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

m. Réseau de caractéristiques. Influence de l'irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . .

n. Réseau de caractéristiques, influence de la température . . . . . . . . . . . . . . .

o. Fabrication des cellules mono et multi-cristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Les modules photo voltaïques et les champs de modules . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le module et le groupement de cellules en série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Le groupement de cellules ou modules en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. L'encapsulation des modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Le test des modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Le panneau photovoltaïque et le champ de modules . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Les déséquilibres dans les groupements de cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . .

g. Installation sur site d'un champ de modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

h. Test d'un champ de modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les systèmes photo voltaïques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les systèmes a couplage direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Systèmes " au fil du soleil " utilisant des convertisseurs . . . . . . . . . . . . . .

c. Systèmes avec stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Systèmes d'appoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Liaison au réseau de distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II. L'énergie solaire : ensoleillement et météorologie

1. Le rayonnement solaire : généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Constante solaire hors atmosphère : 1,360 kw/m² . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Référentiels utilises pour décrire le mouvement apparent du soleil . . . . . .

2. Rayonnement reçu par un élément de surface plane au voisinage du sol,
    rôle de l'atmosphère différentes composantes de ce rayonnement . . . . . . . . . .

a. Rayonnement reçu au sol sur un plan horizontal. (Données élémentaires
    sur les ressources d'énergie solaire dans le monde) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Données générales sur les constituants de l'atmosphère et leurs
    interactions avec les photons solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Interaction du rayonnement solaire avec un corps dense, solide ou liquide

a. Rayonnement thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Y a t-il une relation simple entre les propriétés physiques macroscopiques
    d'un corps et le rayonnement thermodynamique qu'il émet? . . . . . . . . . . . .

4. Extinction du rayonnement direct dans la traverse de l'atmosphère . . . . . . . .

a. Section efficace.  Loi de Beer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Application aux interactions photons. Atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Diffusion et absorption par les constituants atmosphériques . . . . . . . . . . . .

5. Exploitation des données sur le rayonnement solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Répartition spectrale au niveau du sol des rayonnements direct et global

b. Aspects énergétiques du rayonnement solaire direct au niveau du sol,
    dans le cas du ciel clair, sans nuages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Mesures du rayonnement au sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Appareils de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Utilisation du satellite météosat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Exploitation des mesures du rayonnement au sol par des procèdes directs
    ou indirects pour la mise en oeuvre de systèmes solaires . . . . . . . . . . . . . .

III. Physique des convertisseurs photo voltaïques

1. Physique des semi-conducteurs a l'équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Structure électronique d'un semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Statistique d'occupation des états d'énergie permis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Mécanismes de conduction électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Physique des semi-conducteurs hors équilibre thermodynamique . . . . . . . . . .

a. Propriétés optiques des semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Génération, relaxation et recombinaison des porteurs de charge en excès

c. Distribution spatiale des porteurs de charge en excès . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Physique de la jonction p-n à l'équilibre et sous clairement . . . . . . . . . . . . . .

a. Formation de la jonction p-n. Propriétés à l'équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Caractéristique courant-tension sous clairement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Réduction de la recombinaison en face arrière. Disposition BSF . . . . . . . .

4. La jonction p-n comme générateur photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Description du générateur photo voltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Grandeurs caractéristiques du générateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Point de fonctionnement optimal. Facteur de remplissage . . . . . . . . . . . . . .

d. Rendement énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IV. Filières et matériaux le silicium cristallin

1. Caractéristiques physiques des différentes filières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Absorption optique des semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Diffusion et recombinaison des porteurs de charge photogénérés.
    Courant de court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Collecte des photoporteurs, barrière de potentiel, tension de circuit ouvert

d. Optimisation du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Le silicium cristallin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Le matériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Technologie des photopiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

V. La filière silicium amorphe

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Organisation atomique du silicium amorphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. L'organisation tétraédrale est à peu prés préservée . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Il y a du désordre a longue distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Caractéristiques optoélectroniques du silicium amorphe hydrogène . . . . . . . .

a. L'alliage avec l'hydrogène rend semi-conducteur le silicium amorphe . . . .

b. Le spectre d'absorption optique du silicium amorphe permet d'envisager
    son emploi en couches minces pour réaliser une photopile . . . . . . . . . . . . .

c. Les paires photocréées se recombinent beaucoup plus rapidement
    que dans la silicium cristallin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Les paires photocréées doivent être séparées
    à l'aide d'un champ électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Les états localises de la queue d'Urbach influent sur le champ électrique
    interne et limitent l'efficacité des atomes dopants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Les propriétés électroniques se dégradent
   à la suite d'un clairement prolongé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Les photopiles au silicium amorphe hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. La structure p-i-n. Épaisseur optimale de la région I . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Les substrats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Les manières de réaliser les panneaux de photopiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les méthodes de déposition du silicium amorphe hydrogène . . . . . . . . . . .

b. Méthodes de réalisation des panneaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Perspectives d'évolution de la filière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Meilleure uniformité des caractéristiques de panneau . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Amélioration de la probabilité de conversion de la lumière . . . . . . . . . . . .

c. Optimisation des interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. L'hydrogène a la faiblesse d'être trop mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. La dégradation à la suite de l'illumination reste trop importante . . . . . . . . .

f. Cellules tandem à base d'alliages de silicium amorphe . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Aperçu sur les domaines d'emploi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VI. Les cellules photovoltaïques en couches minces,
alternatives à la filière silicium

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Facteurs de choix du matériau couche mince et de la structure . . . . . . . . . . . .

a. Les cellules couches minces ont été l'objet de recherches poussées
    depuis de nombreuses années . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quelques techniques d'élaboration de couches minces . . . . . . . . . . . . . . . .

3. État actuel et perspectives de quelques filières alternatives avancées . . . . . .

a. Cellules photo voltaïques à base de cuinse2 (composé I-III-VI2) . . . . . . . .

b. Cellules photo voltaïques à base de tellurure de cadmium . . . . . . . . . . . . .

4. Prospectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les nouveaux matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Exemples de nouvelles structures optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Structure de bande d'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VII. Conversion photo voltaïque sous concentration

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Cellules solaires au silicium pour concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Concepts de haut rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Cellule de type conventionnel n+pp+ ou p+nn+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Cellule IBC (Interdigitated Back Contact) ou pc (point contact) . . . . . . . . .

3. Concentrateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Systèmes photo voltaïques sous concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Conclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VIII. Conversion photovoltaïque multispectrale
ou la cellule solaire arc-en-ciel

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Problématique du rendement de conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Les différentes filières PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Aspects technico-économiques des performances PV de la cellule . . . . . .

3. Calcul du rendement PV multispectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Courant de court circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Caractéristique courant-tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Rendements : tableaux et courbes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Sélection des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a. Stratégie de sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Les covalents dans les tandems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Les quasi-covalents (composes III-V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Filière amorphe, polycristalline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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