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25/03/2020

Rapport
bibliographique
Travaux d’Etudes et de Recherche :
Panneau solaire photovoltaïque

Nabil EL FODIL, Vesjan MAKSUT
UNIVERSITE PARIS SUD

Table des matières
Introduction : ........................................................................................................................................... 2
Discussions des matériaux :..................................................................................................................... 2
Les matériaux isolants ......................................................................................................................... 2
Les matériaux conducteurs ................................................................................................................. 2
Les semi-conducteurs .......................................................................................................................... 2
Partie électrique : .................................................................................................................................... 5
Courant de diffusion : .......................................................................................................................... 6
Courant de génération :....................................................................................................................... 6
Analogie avec la diode : ........................................................................................................................... 8
Quadrant I ........................................................................................................................................... 8
Quadrant II .......................................................................................................................................... 8
Quadrant III ......................................................................................................................................... 8
Quadrant IV ......................................................................................................................................... 8
Système photovoltaïque : ..................................................................................................................... 10
Association en série : ......................................................................................................................... 11
Association en parallèle :................................................................................................................... 12
Convertisseur :....................................................................................................................................... 13
Dimensionnement des éléments composant le convertisseur L et C ................................ 15
Conclusion : ........................................................................................................................................... 16
Reference .............................................................................................................................................. 17

Introduction :
Compte tenu des enjeux environnementaux, le débat sur la transition énergétique
est beaucoup plus qu’un simple sujet d’actualité, il est au centre des programmes
et compagnes politiques et occupe une grande partie de la scène médiatique. Les
énergies renouvelables sont l’alternative la plus plausible aujourd’hui. Nous
allons dans ce rapport bibliographique, et dans le cadre du Travail d’Etude et de
Recherche (TER), discuter du photovoltaïque.
Avant de commencer voici quelques chiffres sur le sujet :
En 2017, on estime à 18,1% le pourcentage de contribution des énergie
renouvelables dans la production électrique mondiale, dont à près 2% grâces aux
photovoltaïques. (Cf. référence 8).
En France et d’après le site officiel d’Edf (premier fournisseur d’électricité en
France), La production d’électricité d’origine photovoltaïque de 9,2 TWh en 2017
est en progression de 9,2 % par rapport à 2016.
On constate que le marché est très porteur et prometteur, mais qu’en est-il du
principe de fonctionnement de cette technologie, sa composition et la possibilité
de l’optimiser ?

Discussions des matériaux :
Dans un premier nous allons distinguer les différents matériaux connus à ce jour
et fortement utilisés dans le contexte et le domaine du génie électrique :
Les matériaux isolants : Ou dit diélectrique, est un matériau ayant très peu porteur

de charges et par conséquent ne transmets pas d’électricité.
Les matériaux conducteurs : ce sont des éléments qui possèdent plusieurs porteurs

de charges et donc susceptible de transmettre l’électricité.
Les semi-conducteurs : Un matériau qui peut posséder des porteurs libres ; il a la

particularité d’avoir 4 électrons périphériques, et donc la moitié d’un orbital
rempli, ses propriétés électriques dépendent principalement de :
 L’énergie nécessaire pour ‘arracher’ un électron à la liaison covalente.
 La température (Conductivité).
Un matériau étant composé d’atome, et donc d’électrons que l’on considéré
comme des éléments porteurs de charges, le positionnement de ces électrons dans
les différentes couches d’atome crée 3 niveaux énergétiques dans chaque
matériau :
 Bande de valence (proche du noyau de l’atome).

 Bande de conduction (électron dans le dernier orbital atomique).
 Gaps de bande interdites.

Figure 1Modéle atomique de Bohr, source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Couche_%C3%A9lectronique

Ces niveaux énergétiques sont décrits et définit et sont solution d’équation de
Schrodinger stationnaire le théorème de Block.
Schrodinger stationnaire :
EψE(x) = V(x) ψE(x) – 𝛥ψ(x)

ђ²

D’après le théorème de Block, les solutions sont de la forme :
Ψk(x) = Uk(x) 𝑒
Uk(x+a) =Uk(x)

Avec K : vecteur d’onde d’électron libre.
On note E, la bande d’énergie qui répond à l’expression suivante :
E=

ђ² ²

La densité d’état d’énergie est définie par :
y(E) =
Avec N le nombre d’état d’énergie, et l’allure de y(E), selon le modèle de
Kronig-Penney est :

Dans le cas d’un semi-conducteur on a :

Avec :
Ev = l’énergie du haut de la bande de valence.
Ec = l’énergie du bas de la bande de conductivité.
Eg = Ec-Ev = l’énergie du gap.
Le gap définit la nature du matériau, isolant, conducteur ou semi-conducteur.

Partie électrique :
L’objectif étant de créer un effet photovoltaïque, il est nécessaire que le photon
puisse transmettre son énergie à un électron de valence, ce dernier sera arraché de
son orbitale atomique initiale, et par conséquent ne subira plus l’attraction de
l’atome (ou très peu), il en résulte un électron et un trou dit libres, si l’électron et
le trou ne se « recombine » pas, ils vont prendre des directions opposées, leur
circulation crée alors un courant.
Le phénomène expliqué ci-dessus ne peut être réalisé avec des matériaux isolants,
car et en plus de la définition de ces matériaux qui ne contiennent pas ou peu de
porteurs de charges, le gap entre les couches de valence est très grand. De même
avec les matériaux dit conducteurs mais la raison est tout autre, ces derniers ayant
un nombre assez élevé d’électrons libres, ce phénomène serait irréalisable.
Le seul matériau ou le gap a la bonne dimension pour pouvoir être pénétré par
l’énergie de la lumière qui est donnée par la formule suivante :
E=ђ

Est le semi-conducteur.
Le fait d’avoir créé un électron et un trou est une condition nécessaire mais
suffisante pour satisfaire la réalisation du phénomène souhaité, rien ne garantit
que ces deux éléments n’aillent pas se « recombiner », au cas échéant on aurait
obtenu qu’une énergie thermique dû aux mouvements des charges.
Afin de rendre ces éléments mobiles, on peut générer un champ magnétique
électrique interne que l’on notera E, en faisant une jonction (un contact entre deux
matériaux de propriétés électriques différentes). On va de ce fait créer un barreau
de semi-conducteur, l’un des deux coté sera dopé N (les électrons constituent la
charge majoritaire), et de l’autre un coté dopé P (les trous constituent la charge
majoritaire).
En effectuant ce processus, un champ électrique interne est créé dans la zone ou
le coté dopé N est en contact avec son homologue dopé P (différence de
concentration de charges fixes), la zone ou ce champ est créé est intitulé la zone
de charge, ou il n’y a aucun porteurs libres.
Note : Ce champs va interdire les charges majoritaires de franchir la jonction, il
fera guise de barrière de potentiel.
Lors de l’exposition de la jonction à une source de lumière, on voir apparaitre un
courant qui est le résultat de la contribution :
Courant de diffusion :
Courant dû aux distributions de charges minoritaires qui touchent la zone de
charge d’espace vers la zone où ils majoritaire par le champ E.
Courant de génération :
Les paires électrons-trous créé par les photons dans la zone de charge d’espace
sont séparés par le champ E, et les électrons vont vers la zone N, les trous vers la
zone P.

Afin d’extraire les charges du semi-conducteur, on connecte aux deux extrémités
du matériaux, deux conducteurs pour créer deux pôles (+) et (-).
Remarque :
Une simple réalisation avec cette structure n’est pas suffisante. On va donc ajouter
à cette structure un semi-conducteur non dopé car le coté dopé P n’est pas un bon
photo conducteur.
Il est donc préférable que l’effet photovoltaïque se produise dans le matériau
intrinsèque pur et non dopé. Un exemple de réalisation est montré dans la figure
ci-dessous :

Figure 2 Cf. référence [4]

Analogie avec la diode :
Lorsque l’on expose une jonction P-N à une source lumineuse, cette dernière a le
comportement d’une photodiode, on va donc exploiter les résultats la courbe
caractéristique en convention récepteur d’une jonction P-N, en obscurité et
éclairé.

Quadrant I : Diode passante.
Quadrant II : Diode bloquante, circuit ouvert.
Quadrant III : La zone du quadrant III correspond à un mode de fonctionnement en

récepteur, sa résistance étant variable en fonction de l’éclairement à une tension
données, ce comportement est nommé photo résistive.
Quadrant IV : La zone du quadrant IV à un mode de fonctionnement générateur, la

puissance lumineuse a une relation de proportionnalité directe avec le courant de
court-circuit, c’est un comportement en convertisseur.
Le courant de court-circuit est défini par la formule suivante :

Icc=Iph = qe η
Avec : qe : la charge (C).
η : constante de temps (s-1).
e : flux lumineux (J)

ђ

e

En prenant en compte ces considération physiques, on peut déduire un modèle
équivalent d’une cellule photovoltaïque idéale.

Figure 3 Référence 1

Le courant sortant de la cellule photovoltaïque noté Ip est la contribution du
courant de court-circuit Icc et le courant passant par la diode Id.
Id = Is(𝑒

– 1) avec Is =

+

et VT =



Is = Courant de saturation.
K : Constante de Boltzmann.
T : Température (Kelvin).
Vp : Tension de sortie de la cellule.
q : Charge.
Dn : Constante de diffusion.
Np0 : Densité de charge P.
Ln : longueur de la zone N.hj
Respectivement pour la zone P.
Grâce aux formules et démonstrations explicitées dans cette partie d’analogie, on
peut en déduire la courbe caractéristique d’une cellule photovoltaïque.

Figure 4 Reference 1

La puissance délivrée par cette cellule est égale au produit courant tension, cette
dernière est maximale quand le produit est maximal, comme le montre la figue cidessous :

Figure 5 Reference 1

Système photovoltaïque :
Une cellule de dimension : largeur 10cm, longueur 10 cm, et d’épaisseur 150300µm (les valeurs sont ordre du grandeur), produit environ 0.6V, 5A et 3W [Cf.
référence 7].

Remarque : Ces chiffres varient en fonction de la technologie et de fabrication.
En général une cellule n’est pas suffisante, donc selon nos besoins on va associer
les cellules en série ou en parallèle afin d’avoir les grandeurs désirées.
Association en série :

Par raccordement en série, les cellules sont parcourues par le même courant, et la
tension finale est la somme des tensions produites par chaque cellule. La courbe
caractéristique dans ce cas devient comme ci-dessous :

Figure 6 Reference 1

Dans cette configuration, où l’éclairage ne peut pas être uniforme, les cellules ne
fonctionnent pas dans la même manière. Par exemple, lors d’un ombrage, la
cellule plus faible devient une cellule réceptrice (parcouru par une tension inverse)
consommant la puissance produite par les autres cellules. Celle-ci peut détruire la
cellule si la puissance et la température deviennent importante. Pour éviter ce
problème on va mettre une diode en parallèle avec la cellule, autrement dit une
diode by-pass. Cette diode empêche la tension inverse dans la cellule.

Association en parallèle :

Pour pouvoir augmenter le courant on va lier les cellules en parallèle. Les cellules
ont la même tension et le courant final est la somme des courants produit par
chaque cellule. La courbe caractéristique devient comme ci-dessous :

Comme dans l’association en série, l’éclairage non uniforme ici est un problème.
La cellule plus faible devient réceptrice (fait appel à un courant inverse)
consommant la puissance produite par les autres cellules. Pour éviter ce problème
on va mettre une diode en série avec la cellule. Cette diode va empêcher le courant
inverse de parcourir la cellule en sombre.

Un panneau est construit de plusieurs cellules associées en parallèle ou/et en série
pour pouvoir produire la puissance nécessaire.

Dans le marché les panneaux plus utilisés sont les panneaux de taille
124cm*56cm, construit de 36 cellules. Comme les panneaux qu’on va utiliser
pour ce projet.

Convertisseur :
Afin de générer le transfert de l’énergie entre le panneau photovoltaïque et la
batterie (stockage électrique), on va utiliser un convertisseur DC/DC, appelé

Buck-boost ou hacheur à stockage inductif. Le schéma représentant ce dispositif
est le suivant :

Grâce à l’interrupteur K, on peut contrôler le niveau de tension de sortie. On
montre que :
Vp = (1-α) Vc
Ou 𝛼 représente le rapport cyclique.
Lorsque K est fermé :
L

= VPV

Lorsque K est ouvert :
L

= VPV-VC

On montre l’évolution de la tension VPV, et le courant Ie, en fonction du temps et
des états de l’interrupteur K, dans le graphique ci-dessous .

La tension moyenne devient :

VPV αT – (VPV-VC) (T- αT) = 0
VPV αT= (VPV-VC) (T- αT)
VPV = (1-α) VC
VC=

(

)

Comme VC (tension de la batterie) est fixe, alors on va modifier le rapport
cyclique α (0≤α≤1), pour parcourir la courbe caractéristique et trouver le point
où la puissance délivrée par le PV est au maximum.

Dimensionnement des éléments composant le convertisseur L et C :
VPV = L
ie =

t+ ie(0)

avec ie(0)= imin

VPV-VC = L
ie =

(𝑡 − αT) +Imax
ie(αT)=

+ Imin

Imax – Imin =
L=

𝑽𝒑𝒗𝛂𝐓
𝜟𝒊𝒆

∆Q=C∆Vc=> C=




=



Le schéma complet du montage que on va utiliser est :

Conclusion :
Ce rapport bibliographique avait pour objectif de nous fournir la possibilité
d’aborder le sujet que nous allons étudier dans quelques mois dans le cadre du
TER, la compréhension des notions théoriques était indispensable au bon
déroulement de la partie expérimentale, ou nous allons effectuer plusieurs tests
sur un panneau photovoltaïque et pouvoir étudier les rendements en fonction du
temps d’exposition, intensité lumineuse et heures.
Nous avons cependant rencontré quelques difficultés en ce qui concerne
l’algorithme spécifique à la réalisation du convertisseur, en espérant y voir plus
clair lors des semaines de réalisation et les conseils de nos encadrants, Messieurs
Adrien MERCIER et Guillaume KREBS.

Reference
[1]. Conversion photovoltaïque : du rayonnement solaire à la cellule, Stephan ASTIER. TECHNIQUE DE
L’INGENIEUR, Réf. D3935
[2]. Conversion photovoltaïque : de la cellule aux systèmes, Stephan ASTIER. TECHNIQUE DE
L’INGENIEUR, Réf. D3936
[3]. Electricité photovoltaïque-Principes, Abdelilah SLAOUI. TECHNIQUE DE L’INGENIEUR, Réf. BE8587
[4]. Energie solaire photovoltaïque, Anne LABOURET et Michel VILLOZ. DUNOD
[5]. Caractérisation de panneaux solaires photovoltaïques en conditions réelles d’implantation et en
fonction des différentes technologies, Thomas MAMBRINI. THÈSE DE DOCTORAT
[6]. Notes du cours UE302a, Herve BERGERON. Laboratoire ISMO, Université Paris-Saclay
[7]. Notes du cours UE414, Olivier VILLAIN. Dép. EEA de l’ENS Paris-Saclay
[8]. Wikipédia.fr


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