Résolution numérique de la caractéristique I(V) et étude des paramètres d’une cellule photovoltaïque

Abstract

La protection de l’environnement est devenue, ces dernières années, une préoccupation majeure. De nombreuses voies de recherches se sont donc orientées vers l’utilisation des énergies renouvelables, dont l’énergie solaire. L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable car elle utilise une source d’énergie d’origine naturelle qui est le Soleil. L’objectif de ce travail est l’étude de la résolution numérique de la caractéristique I(V) et P(V) pour l’éclairement d’AM1.5 et à la température ambiante ou variable. La caractéristique courant-tension I(V) nous renseigne sur le comportement électrique de la cellule solaire et de ses paramètres. La cellule se comporte comme un générateur dont la tension V à ses bornes et le courant I et la puissance P qu’il débite représentent les caractéristiques I(V) et P(V). Cette caractéristique est influencée de plusieurs grandeurs tels que : les résistances série Rs et parallèle Rp (shunt), le courant Iph de photo-courant, les facteurs d’idéalité n1 et n2, les courants de saturation Is1 et Is2, respectivement des diodes D���� et D���� , représentant dans l’ordre les courants de recombinaison dans les zones neutres (N et P) et dans la zone de charge d’espace (ZCE) de la jonction P-N constituant de base de la cellule. Tous ces paramètres dépendent implicitement des propriétés intrinsèques et extrinsèques des matériaux qui la composent comme les concentrations des dopants NA et ND (et de leurs résistivités) des semi-conducteurs, des contrent rations intrinsèques ni, des mobilités des porteurs du Silicium, …et dont les expressions théoriques ont été introduites dans les programmes de calculs. Toutes ces propriétés évoluent en fonction de la Température T. Ces paramètres sont très importants dans le comportement des cellules solaires; car les performances électriques d’une cellule solaire sont très sensibles à celles-ci. On a rappelé, en premier lieu dans le chapitre 1 les généralités sur la source fondamentale de l’énergie photovoltaïque; le soleil, son pouvoir énergétique et les propriétés de son rayonnement puis, on a décrit en chapitre 2 la cellule photovoltaïque, ses caractéristiques I(V) et P(V), ses circuits électriques équivalent idéal et réel et ses principales grandeurs caractéristiques que sont le courant de court-circuit Icc, la tension de circuit ouvert Vco, son facteur de forme FF et son rendement énergétique η ainsi que l’étude de l’influence de différents paramètres. Après avoir traité les effets de la température T , de la résistance série, de la résistivité et du facteur d’idéalité n2 sur les paramètres caractéristiques des cellules solaires, nous avons commencé par illustration de l’effet de ces paramètres sur les caractéristiques I(V) et P(V), ensuite, nous avons extrait sous le même éclairement AM1.5, les différents paramètres caractéristiques aux différentes températures entre 0 et 50 °C et leurs autres conséquences sur les autres paramètres. Notre étude nous a conduit à obtenir de résultats encourageants où, nous avons constaté que la dépendance du Icc et Vco avec la température est quasi linéaire, la variation relative de Vco est de 4.2 %, cependant le facteur de forme FF diminue avec l’augmentation de la température, pour le rendement de conversion photovoltaïque de la pile solaire η il diminue linéairement avec la température. Ensuite, nous avons présenté dans notre étude l’influence de la résistance série Rs sur les différents paramètres de la cellule. À travers cette étude, nous avons constaté que la résistance Rs entraîne une légère diminution du courant de court-circuit Icc et la tension de circuit ouvert Vco lorsque Rs varie de 0 à 1 Ω.cm2. Ceci entraîne une diminution de la puissance maximale Pm, du facteur de forme FF et du rendement ɳ. Donc la résistance Rs doit donc être la plus minimale possible pour un bon rendement sur la cellule photovoltaïque. Nous avons procédé dans ce qui a suivi à une étude de l’influence de la résistivité ρ sur les paramètres de la cellule. Nous avons ainsi constaté que le point de fonctionnement maximum de la caractéristique I (V) baisse lorsque la résistivité augmente et par conséquent la puissance maximal Pm avec. D’autre part, nous avons remarqué une saturation du courant de court-circuit Icc est observée et une diminution de la tension de circuit-ouvert Vco. Le facteur de forme FF et le rendement ɳ diminue également avec la résistivité ρ du matériau.Au vu de cette étude, la résistivité doit être la plus petite possible pour un rendement appréciable de la cellule photovoltaïque. Enfin, nous avons traité les effets du facteur d’idéalité n2 de la diode D2. Selon cette étude, nous avons constaté que le point maximum du fonctionnent de la courbe I(V) se dégrade fortement lorsque ce facteur d’idéalité passe de 1.60 à 2.60. Cette diminution pourrait évaluer à partir de l’autre caractéristique P(V). Quant au e courant de court-circuit, il se sature tandis que la tension de circuit-ouvert, le facteur de forme et le rendement s’améliore et la variation relative de ce dernier est estimé à 4.5 % quand n2 subit sa plus grande variation. Donc il est nécessaire d’accroître n2 pour un bon rendement de la cellule. En conclusion, la caractérisation du modèle électrique de la photopile nous paraît intéressante à plus d’un titre. En perspective, ce travail pourrait être repris pour être plus affiné et étendu à l’étude d’autres paramètres dans le cas d’une cellule à base de type N et ses propriétés ainsi que ceux attraits à l’émetteur. Le programme établi ici peut constituer un premier jalon pour un éventuel code de calculs pour les cellules photovoltaïques.