Principe de conversion de l'énergie rayonnée en électricité:
| https://youtu.be/23i-_v_tWTA | 
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| L'effet photovoltaïque 4'04" | Schéma de l'effet photovoltaïque |
La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet photoélectrique, c’est-à-dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau.
On illumine un semiconducteur avec un rayonnement de longueur d’onde appropriée, si l’énergie des photons est au moins égale à celle du gap énergétique du matériau, alors l’énergie des photons absorbés permet des transitions électroniques depuis la bande de valence vers la bande de conduction du semiconducteur, créant ainsi des paires électron-trou, qui peuvent contribuer au transport du courant (photoconductivité) par le matériau lorsqu’on le polarise.
Si on illumine une jonction PN, les paires électron-trou qui sont créées dans la zone de charge d’espace de la jonction sont immédiatement séparées par le champ électrique qui règne dans cette région, et entraînées dans les zones neutres de chaque côté de la jonction. Si le dispositif est isolé, il apparaît une différence de potentiel aux bornes de la jonction (phototension); s’il est connecté à une charge électrique extérieure, on observe le passage d’un courant alors qu’on n’applique aucune tension au dispositif. C’est le principe de base d’une cellule photovoltaïque.
Le courant créé est proportionnel à l’éclairement. Le taux de conversion entre l’énergie lumineuse reçue et l’énergie électrique fournie est classiquement d'une entre 10 et 20% (certaines cellules ont un rendement de 40% mais sont fort onéreuses)
La production d’électricité à partir de l’énergie solaire n’est pas régulière. Les périodes de production ne correspondent pas aux périodes de consommation (en particulier aucune production la nuit). On peut stocker l’énergie dans des batteries (coût supplémentaire) ou revendre l’énergie au réseau
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| Cellule élémentaire de panneau photovoltaïque | Champ de panneaux photovoltaïques |
Les divers types de panneaux:
Pour le moment le coût d’installation est important mais des efforts de recherches sont engagés , en particulier sur la technologie des cellules photoélectriques.
Il existe des panneaux solaires polycristallins réalisés avec du silicium moins « purifié », qui sont moins chers à l’achat , mais le rendement est moindre.
Des travaux sont effectués pour diminuer l’épaisseur des cellules (ruban de silicium) ou pour trouver des composés moins chers et donc diminuer le coût de la matière première. On cherche aussi à diminuer la surface des contacts métalliques qui permettent de récupérer l’électricité (ce qui permettra de gagner de la surface active) et à récupérer un maximum du spectre solaire (augmenter l’efficacité des cellules).
Les chiffres de production du photovoltaïque
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Caractéristique électriques d’une cellule PV:
Modèle équivalent de la cellule
| Schéma équivalent | Equation | symbole |
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\( I = {I_{CC}} - \underbrace {{I_S}\left[ {{e^{\frac{{q\left( {V + I \times {R_{Serie}}} \right)}}{{kT}}}} - 1} \right]}_{{I_d}} - \frac{{V + I \times {R_{Serie}}}}{{{R_{shunt}}}} \)
Les deux résistances modélisent les pertes internes dues aux recombinaisons de certains électrons et trous :
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Les relations I=f(V) et P=f(V) de la cellule
| La courbe caractéristique d'une cellule PV représente la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule.
Cette courbe dépend majoritairement de
La puissance électrique P (W) disponible aux bornes d'une cellule PV est égale à \( P= V \times I \) | 
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La puissance crête
La puissance crête d'un panneau photovoltaique photopile, aussi nommée puissance "catalogue", notée Wc (Watt crête) ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique maximum délivrée dans les conditions suivantes dites conditions standard (ou STC)
- éclairement solaire de 1 kW / m2 (correspondant à peu près à une exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à midi par temps clair d'été) ;
- température de la cellule PV égale à + 25 °C.
- répartition spectrale du rayonnement dit AM.1,5 (correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir traversé une atmosphère de masse 1 à 45 °);
remarque : En moyenne, un Watt crête correspond à la puissance d’une cellule monocristalline d’une surface de 1 dm²
Association de cellules:
L’association de cellules PV est analogue à l’association de générateurs:
- en série, leurs tensions s’ajoutent,
- en parallèle, leurs courants s’ajoutent.
Cependant, leur fonctionnement est altéré si l’une des cellules associées est occultée (ombre par exemple).
Association en série:
Principe de l’association en série de cellules
Si on assemble en série n cellules, la tension aux bornes de l’assemblage est égale à la somme des tensions délivrées par chacune des cellules.
Dans le cas d’une association en série, les cellules délivrent le même courant mais elles peuvent fonctionner avec des tensions différentes | 
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Problèmes liés à la mise en série
| Si une cellule est occultée (si elle ne reçoit plus qu’une faible partie de l’énergie solaire reçue par les cellules voisines), elle ne peut délivrer qu’un courant limité.
Le pire des cas apparaît lorsque l’ensemble est court-circuité. Le courant de court circuit \( I_{CC} \) traverse alors la cellule occultée qui est donc soumise à la tension inverse \( –V_{Icc} \) et se comporte donc en récepteur qui dissipe alors la puissance \( P= V_{Icc} \times I_{CC} \) donnant lieu à un échauffement local nommé parfois « hotspot ». | 
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| Au-delà d’une certaine tension inverse (environ 20 V), la probabilité de claquage d’une cellule (destruction de la jonction électrique) devient importante. Pour limiter la tension inverse maximum susceptible de se développer aux bornes d’une cellule, les fabricants ou installateurs de modules photovoltaïques placent donc une diode parallèle, appelée diode by-pass, toutes les 18 à 36 cellules (selon les applications). | 
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Association en parallèle:
Principe de l’association en parallèle des cellules
Si on assemble en parallèle m cellules, la tension est la même sur chaque cellule et le courant est égal à la somme des courants produits par chacune des cellules.
Dans le cas d’une association en parallèle, les cellules délivrent la même tension mais elles peuvent fonctionner avec des courants générés différents. | 
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Problèmes liés à la mise en parallèle
| Si une ou plusieurs cellules sont occultées, les autres deviennent réceptrices car la tension de fonctionnement est supérieure à la tension de circuit ouvert. | 
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| Bien qu’une cellule puisse dissiper un courant important, il est préférable de disposer d’une diode anti-retour, laquelle empêche également de gaspiller dans une autre cellule occultée une partie de la puissance produite par les cellules fonctionnant normalement. Pour limiter ces pertes et protéger les cellules, on place donc une diode en série, appelée diode série, toutes les n cellules (n étant fonction des caractéristiques du montage).
Cette diode série est indispensable pour une utilisation en site isolé avec les panneaux directement reliés sur la batterie afin que la batterie ne se décharge pas dans le panneau photovoltaïque. | 
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Les régulateurs de charge:
Les régulateurs de charge des accumulateurs servent à contrôler l'intensité de courant passant par les accumulateurs et les protègent ainsi contre les surcharges et les décharges profondes. Ils peuvent aussi mesurer la tension des accumulateurs pour y détecter le niveau de charge. On trouve sur le marché des régulateurs de 2 à 300 A adaptés à des tensions de quelques volts à des centaines de volts. Les régulateurs de charge se caractérisent en trois groupes principaux :
Les régulateurs série
| Les régulateurs série, qui incorporent un interrupteur entre le générateur et l'accumulateur pour arrêter la charge.
L'interrupteur de charge est ici en série avec la batterie. Il s'ouvre lorsque la fin de charge est atteinte.
| Principe d'un régulateur série
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Les régulateurs shunt
| Les régulateurs shunt , dont l'interrupteur court-circuite le générateur solaire en fin de charge
Tout le courant du panneau passe dans la batterie. Lorsque le seuil de coupure est atteint, tout le courant passe dans l'interrupteur. Il faut ajouter impérativement une diode entre cet interrupteur et la batterie pour ne pas la court-circuiter. Cette diode joue également le rôle de blocage du courant nocturne pouvant s'écouler de la batterie vers le panneau. Inconvénients :
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Les régulateurs à MPPT (Maximum Power Point Tracking)
| Les régulateurs MPPT sont conçus pour extraire des panneaux solaires la puissance maximum disponible. Cela permet donc de récupérer un maximum d'énergie quels que soient la température et l'ensoleillement. Les tensions et courants sont mesurés en permanence de manière à déduire la puissance extraite du panneau. La puissance ainsi obtenue est comparée avec la puissance de l'instant précédent. La tension aux bornes des panneaux est ensuite augmentée ou réduite suivant le résultat de la comparaison. | 
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Vidéos:
Rexel : Atelier 41 - Les solutions photovoltaïques pour le résidentiel https://youtu.be/y-xW2nG9oVg
Jamy Gourmaud nous explique le photovoltaïque, aujourd'hui et demain.: (14'47) https://www.youtube.com/watch?v=byHhEk-PJ3M
ECOVERTEC: fabrication de panneaux solaires photovoltaiques Solarworld (8'24) https://www.youtube.com/watch?v=r0mC_X0WrDM
English spoken sources
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- 7.2 part I - PV Modules I
- 7.2 part II - PV Modules II : https://youtu.be/v8nbwvC8aBg
- MPPT (English spoken) (21') : https://youtu.be/0ItjKs7aJFM (21')
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