Rendement d’une cellule photovoltaïque

Rendement d'une cellule photovoltaïque

I. Principe de fonctionnement

L’ensemble du rond et des deux bornes représente la cellule photovoltaïque. La lumière tape sur la cellule photovoltaïque. Cela peut faire circuler une intensité de courant. A ses bornes, on a une différence de potentiel U. Le schéma est représenté en convention générateur. La flèche de la tension est dans le même sens que celle du courant qui circule. La cellule photovoltaïque est un générateur et non un récepteur. Pourquoi la lumière génère de l’électricité ?

Grâce à l’effet photoélectrique ! Plus la flèche est large plus il y a d’énergie. On arrive avec l’énergie d’un photon ($h\times \dfrac{c}{\lambda}$). La matière constitue la cellule photoélectrique. Il va falloir un certain travail pour extraire les électrons. Ce travail va éliminer de l’énergie et on aura une certaine énergie finale. La lumière vient communiquer une certaine énergie à l’électron.

II. Caractéristique d’une cellule

Ce type de graphique sera donné dans les exercices. Cette électricité générée (courant) va dépendre de la tension aux bornes du générateur. On voit en ordonnées le courant qui circule et en abscisses la tension aux bornes du générateur. Lorsque $U = 0V,$ on appelle cela faire un court-circuit. On va court-circuiter la cellule photovoltaïque ici. Le courant s’appelle donc $I_{cc}$ : courant de court-circuit.

Lorsque la tension augmente, l’intensité du courant va diminuer progressivement. Lorsque l’on atteint $U_0,$ on a la tension à vide. En effet, lorsqu’il n’y a rien de branché, la tension est égale à $0$ : on parle bien de tension à vide. Quand on branche un voltmètre aux bornes d’une cellule photovoltaïque, on mesure sa tension à vide car il n’y a quasiment pas de courant qui passe à travers. On dit qu’il a une impédance très élevée, une résistance très élevée. On superpose à ce graphe la puissance en W. On voit une courbe en cloche qui commence par 0 W, passe par un maximum puis décroît de manière à avoir de nouveau 0 W.

III. Rendement d’une cellule

On a de l’énergie lumineuse qui arrive sur la cellule photovoltaïque. Celle-ci délivre une énergie électrique et des pertes énergétiques. Le rendement c’est : $r = \dfrac{P_u}{P_r}$.

La puissance utile $P_u$ est la puissance électrique et la puissance reçue $P_r$ la puissance lumineuse.

Par exemple, on a une cellule de 40 cm par 1,6 m avec une tension imposée à la sortie de 12 V. Les 400W/m² correspondent à la puissance lumineuse qui arrive sur la cellule. Cela peut varier.

La puissance lumineuse reçue $P_r = P_{surfacique} \times S$.

On a : $P_r = 400 \times 40\times 10^{-2}\times \times 1,6 = 256W$.

Attention aux unités ! On lit la puissance utile sur le graphique : $P_u = 50W$.

Le rendement vaut alors : $r = \dfrac{P_u}{P_r} = \dfrac{50}{256} = 20%$.

C’est typiquement le rendement des cellules photovoltaïques des panneaux solaires que l’on a sur les toits.