Une cellule photovoltaïque également nommée cellule solaire est un composant électronique qui produit de l’électricité lorsqu’il est exposé à la lumière (photons) grâce à l’effet photovoltaïque. Ce dernier a été découvert pour la première fois, en 1839, par le physicien français Edmond Becquerel. Toutefois, ce n’est qu’au cours des années 1950 que les chercheurs de la compagnie Bell Telephone, aux Etats-Unis, parvinrent à fabriquer la première photopile, l’élément primaire d’un système photovoltaïque [4]. La tension générée par une cellule peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau semi-conducteur utilisé, de sa disposition, de sa température et de sa durée de vie [5].

La représentation typique de la diode solaire est composée de :

• une jonction p-n formée sur la surface de la structure solaire ;
• une couche anti-reflet ;
• un contact ohmique ayant la forme des doigts.

Figure 2 : Cellule photovoltaïque

Pour que l’effet photovoltaïque ait lieu, il faut que les 3 mécanismes suivants se produisent simultanément :

• L’absorption des photons de la lumière par le semi-conducteur ;
• Le transfert de l’énergie photonique aux liaisons chimiques et la création des charges électriques libres dans le semi-conducteur ;
• La séparation et la collecte des charges électriques libres créées.

La séparation des charges électriques créées nécessite la présence d’un champ électrique à l’intérieur de la cellule, chose qu’il faut réaliser technologiquement (jonction PN), car aucun semi-conducteur à l’état naturel n’a ce champ électrique interne [6].

La fabrication des cellules solaires repose principalement sur les axes suivants : la fiabilité, le maximum d’efficacité et le minimum du coût de fabrication.

Fabrication des cellules solaires :

Différentes types des cellules photovoltaïques :

Plusieurs matériaux semi-conducteurs peuvent être utilisés pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Cependant, le meilleur d’entre eux est le silicium : plus de 85% des cellules solaires sont actuellement réalisés par du silicium cristallin (cellules cristallines). Les 15% qui restent (des cellules en couches minces) sont réalisées sur la base d’autres semi-conducteurs comme :

• Le Silicium amorphe ;
• L’arséniure de Gallium (GaAs) ;
• Le Tellurure de Cadmium (CdTe) [6] ;
• Cuivre Indium Gallium Sélénium (CIGS)…

Tableau 1 : Rendement de différents types de cellules solaires [7], [8], [9], [10], [11]

Module photovoltaïque :

Le module photovoltaïque est par définition un ensemble de photopiles (cellules solaires) assemblées pour générer une puissance électrique exploitable lors de son exposition au rayonnement solaire. En effet, une photopile élémentaire ne produit qu’une très faible puissance électrique (moins de 3 W) avec une tension de l’ordre d’un volt (1 V) : entre 0,5 et 1,5 V selon la technologie. Afin de produire plus de puissance, les cellules sont assemblées en série et en parallèle pour former un module photovoltaïque. Toutefois, il est important de prendre quelques précautions pour éviter l’existence de cellules moins efficaces ou l’occlusion d’une ou plusieurs cellules (dues à de l’ombrage, de la poussière, etc.) pouvant endommager les cellules de façon permanente [30].

Figure 21 : Module photovoltaïque

Les modules peuvent également être connectés en série et en parallèle afin d’augmenter la tension et l’intensité d’utilisation. De plus, la fragilité des cellules au bris et à la corrosion et la sophistication des cellules photovoltaïques exigent une protection envers leur environnement et celles-ci sont généralement encapsulées sous verre ou sous composé plastique. Les étapes de l’assemblage du module sont les suivants :

1ère étape : Raccordement des cellules :

L’assemblage des cellules consiste à les raccorder en chaîne puis à les interconnecter afin de créer une matrice de 36 cellules généralement [32].

• Association en série :

Dans un groupement de Ns cellules ou de modules identiques en série, le courant de la branche reste le même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules (modules) en série. La caractéristique du groupement est obtenue en multipliant point par point et pour un même courant la tension individuelle par Ns. En particulier, l’impédance optimale du groupement sera Ns fois plus grande que celle de la cellule (module) de base. Les résistances série s’ajoutent et les résistances parallèles s’ajoutent également aussi [30].

Figure 22 : Association en série (gauche) et caractéristique résultante (droite) de N_s cellules identiques

• Association en parallèle :

Par association en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et  le courant résultant correspond à la somme des courants générés par chacune des cellules. La nouvelle courbe est obtenue en multipliant point par point et pour chaque valeur de tension, le courant de la cellule élémentaire par N_p [33]. L’impédance optimale du groupement sera N_p fois plus faible que celle de l’élément de base. Ce sont les inverses des résistances série qui s’ajoutent, ainsi que les conductances shunts (l’inverse de la résistance shunt) [30].

Figure 23 : Association en parallèle (droite) et caractéristique résultante (gauche)  de N_p cellules identiques

La connexion en série de plusieurs cellules forme une branche de cellules où on a une augmentation de tension pour même courant, un assemblage de plusieurs branches de cellules en parallèle forme un module où on a un accroissement du courant et une conservation de tension.

2ème étape: L’encapsulation :

Un module est constitué des cellules associées en série/parallèle encapsulées par  laminage à chaud (c’est un procédé qui consiste à aspirer l’air qui se trouve entre les parties du module et de les compresser) et protégées par [34] :

• En face avant du module :

La face avant du module doit être en verre ayant les caractéristiques suivantes : bonne transparence, résistance à l’impact et à l’abrasion (jet de pierres, vent de sable, nettoyage au chiffon…), étanchéité à l’humidité. Entre le verre et les cellules solaires, on intercale une couche d’EVA (Acétate d’éthylène-vinil), c’est le matériau le plus utilisé, il doit être transparent, souple et adéquat aux indices optiques du verre et des cellules, son rôle est de protéger les cellules contre l’humidité [35].

• En face arrière du module :

La face arrière est généralement réalisée par un Tedlar qui a les caractéristiques suivantes : étanchéité à l’humidité, bonne évacuation de la chaleur… Son rôle est de protéger le module des pluies et des agressions extérieures. Entre ce Tedlar et les cellules on intercale une autre couche d’EVA pour mieux protéger les cellules contre l’humidité [35].

Figure 24 : Différents composant d’un module photovoltaïque

3ème étape : L’encadrement :

Il s’agit tout bêtement de réaliser un cadre pour le module [34]. Il permet le montage et la fixation mécanique, tout en participant si nécessaire à la rigidité du module. Il doit résister à la corrosion (inox, aluminium…) et la visserie doit être choisie afin d’éviter des problèmes de corrosion. Le cadre est généralement en aluminium ou en aluminium anodisé avec une visserie en matériau inoxydable [35].

4ème étape : Connexion des boîtes de jonction :

Des boîtes de jonction sont ajoutées qui contiennent des diodes de protection et qui permettent le raccordement du module au réseau électrique. Elles permettent le repérage des sorties (+, -, éventuellement point milieu), la connexion et le passage des câbles de liaison, l’étanchéité à l’humidité et le logement des diodes de protection [35].

Deux types de protection sont généralement indispensables au bon fonctionnement d’un module photovoltaïque :

• La protection par diodes parallèles (ou by-pass) a pour but de protéger une série de cellules dans le cas d’un déséquilibre lié à la défectuosité d’une ou plusieurs des cellules de cette série ou d’un ombrage sur certaines cellules.
• La diode série placée entre le module et la batterie empêche pendant l’obscurité le retour de courant vers le module. Elle est dans ce cas appelée encore diode anti-retour.

Quand une cellule des 36 d’un module est masquée, elle s’échauffe anormalement si le module n’est pas équipé de diodes by-pass. Dans le cas contraire, la cellule masquée est protégée contre l’échauffement [35].

Figure 25 : Protection par diodes by-pass

Finalement, comme pour la cellule, un test est ensuite effectué sous lumière artificielle calibrée pour déterminer les caractéristiques électriques exactes du module. La puissance nominale photovoltaïque délivrée par chaque module est proportionnelle à la surface de ce module [34].

Les modules peuvent également être connectés en série ou en parallèle pour augmenter la tension ou le courant d’utilisation. L’interconnexion entre eux définit la notion du panneau photovoltaïque.

Ces panneaux peuvent ensuite être montés en série ou en parallèle pour atteindre une tension et un courant plus grands d’où la définition du champ photovoltaïque [6].

Figure 26 : Construction des champs photovoltaïques