Effet photovoltaïque : Conversion directe de la lumière en électricité par excitation des électrons.
Semiconducteur dopé P-N avec jonction PN
Les photons excitent les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction
Le champ électrique de la jonction sépare les porteurs de charge
Les électrons circulent dans le circuit externe, générant un courant
Seuls les photons avec E > Eg peuvent exciter les électrons
Une cellule photovoltaïque convertit la lumière en électricité par effet photovoltaïque, avec des photons excitant des électrons à travers la jonction PN.
• Effet photovoltaïque : Conversion directe lumière → électricité
• Énergie photon : E = hν = hc/λ
• Bandgap : Seuls les photons avec E > Eg peuvent exciter les électrons
Rendement photovoltaïque : Ratio entre la puissance électrique produite et la puissance lumineuse reçue.
P_élec = puissance électrique utile, P_sol = puissance solaire reçue
STC : 1000 W/m², 25°C, AM1.5
Panneau de 300W, surface 2m² : η = 300 / (1000 × 2) = 0,15 = 15%
Limite de Shockley-Queisser ≈ 33% pour cellule simple bande interdite
Silicium monocristallin : 18-22%, Polycristallin : 15-18%, Amorphe : 6-10%
Le rendement photovoltaïque est le ratio entre la puissance électrique produite et la puissance lumineuse reçue, variant de 6% à 22% selon la technologie.
• Rendement : η = P_élec / P_sol
• Conditions STC : 1000 W/m², 25°C, AM1.5
• Limite théorique : 33% pour cellule simple bande interdite
Caractéristique I-V : Courbe montrant la relation entre courant et tension d'une cellule photovoltaïque.
Isc (court-circuit), Voc (circuits ouvert), MPP (point de puissance max)
Le panneau fonctionne dans la zone descendante de la courbe
MPP = (Impp, Vmpp) où la puissance P = U × I est maximale
FF = (Impp × Vmpp) / (Isc × Voc), mesure l'efficacité de la cellule
Irradiance affecte Isc, température affecte Voc
La caractéristique I-V montre la relation courant-tension, avec des points caractéristiques (Isc, Voc, MPP) déterminant les performances.
• Points caractéristiques : Isc, Voc, MPP
• Factor de remplissage : FF = (Impp × Vmpp) / (Isc × Voc)
• Équation : I = I_ph - I_0(e^(qV/kT) - 1)
Effet de température : Variation des performances photovoltaïques avec la température.
Voc diminue avec la température (≈ -2mV/°C pour Si)
Isc augmente légèrement avec la température (≈ +0.06%/°C)
La puissance diminue avec la température (α ≈ -0.4%/°C)
Température cellule = 60°C, coeff α = -0.4%/°C
P_60°C = P_STC × [1 - 0.004 × (60-25)] = P_STC × 0.86 = 86% de STC
Installation dans des climats chauds nécessite dérating
La température diminue le rendement des panneaux photovoltaïques, principalement par la réduction de la tension à circuit ouvert.
• Effet sur Voc : Diminue avec la température
• Effet global : P diminue d'environ 0.4%/°C
• Coef. température : α ≈ -0.4%/°C pour silicium
Irradiance : Puissance lumineuse reçue par unité de surface.
Isc est directement proportionnel à l'irradiance (Isc ∝ E)
Voc varie logarithmiquement avec l'irradiance (faible variation)
La puissance est approximativement proportionnelle à l'irradiance
500 W/m² → 50% de la puissance nominale (approximativement)
Production variable selon les conditions météorologiques et l'heure
L'irradiance affecte principalement le courant de court-circuit, donc la puissance produite est approximativement proportionnelle à l'irradiance.
• Isc ∝ E : Courant proportionnel à l'irradiance
• Voc : Faiblement affecté par l'irradiance
• Puissance : Approximativement proportionnelle à l'irradiance
Orientation/inclinaison : Position des panneaux affectant la quantité de lumière reçue.
Angle entre le rayon lumineux et la normale au panneau
E_reçue = E_direct × cos(θ), où θ est l'angle d'incidence
Pour l'hémisphère nord : orientation sud, inclinaison égale à la latitude
Inclinaison fixe vs suivi solaire, été vs hiver
Inclinaison 45° maximise la production annuelle
L'orientation et l'inclinaison optimales maximisent la quantité de lumière reçue selon l'angle d'incidence et la latitude.
• Angle d'incidence : E_reçue = E_direct × cos(θ)
• Orientation optimale : Sud (hémisphère nord)
• Inclinaison : Égale à la latitude pour production annuelle
Associations : Connexion de plusieurs panneaux pour obtenir des tensions/courants désirés.
Tensions s'additionnent, courant constant
Courants s'additionnent, tension constante
Série pour augmenter la tension, parallèle pour augmenter le courant
Ombrage sur un panneau en série affecte toute la chaîne
4 panneaux 30V/8A : en série = 120V/8A, en parallèle = 30V/32A
Les associations série et parallèle permettent d'ajuster la tension et le courant totaux, avec des implications pour la robustesse face à l'ombrage.
• Série : U_total = ΣUi, I_total = I_unique
• Parallèle : I_total = ΣIi, U_total = U_unique
• Ombrage : En série, affecte toute la chaîne
Technologies : Différents types de cellules photovoltaïques avec rendements et coûts variés.
Structure cristalline uniforme, rendement élevé (18-22%), coût élevé
Structure cristalline multiple, rendement moyen (15-18%), coût modéré
Structure désordonnée, rendement faible (6-10%), coût faible
Pérovskites, cellules tandem, rendements potentiels élevés
Monocristallin pour installations résidentielles, polycristallin pour installations commerciales
Les différentes technologies photovoltaïques offrent des compromis entre rendement, coût et application, avec des structures cristallines différentes.
• Monocristallin : Rendement 18-22%, coût élevé
• Polycristallin : Rendement 15-18%, coût modéré
• Amorphe : Rendement 6-10%, coût faible
Stockage : Accumulation d'énergie produite pour utilisation ultérieure.
Production photovoltaïque dépendante des conditions météo
Compensation entre production et consommation
Lithium-ion, plomb-acide, avec différentes caractéristiques
Conversion DC (panneaux) → AC (réseau ou usage)
Autoconsommation, injection réseau, arbitrage énergétique
Les systèmes de stockage complètent les installations photovoltaïques en compensant la variabilité de la production avec la consommation.
• Stockage : Compensateur de la variabilité de production
• Types de batteries : Lithium-ion, plomb-acide
• Onduleurs : Conversion DC → AC
Production annuelle : Quantité totale d'énergie produite par une installation sur un an.
P_nominale (puissance installée), HSP (heures solaires de pointe), PR (performance ratio)
Nombre d'heures à 1000 W/m² équivalent à l'irradiation annuelle
PR = E_réelle / E_théorique, tient compte des pertes (0,7-0,9)
Installation 5kWp, HSP = 1400, PR = 0,8
E_annuelle = 5 × 1400 × 0,8 = 5600 kWh/an
Localisation, orientation, inclinaison, température, entretien
La production annuelle est le produit de la puissance installée, des heures solaires de pointe et du performance ratio, tenant compte des pertes.
• Formule : E_annuelle = P_nominale × HSP × PR
• HSP : Heures solaires de pointe (équivalent 1000 W/m²)
• PR : Performance ratio (0,7-0,9)
