Dans la plupart des pays Africains comme Madagascar, l‟enjeu socioéconomique pour assurer un développement dans un milieu rural est de rendre l‟électricité disponible auprès de la population. Ce problème d‟accès à l‟électricité est incompatible avec le développement du pays et constitue un des facteurs favorisant l‟exode rural. La production d‟énergie à la disposition rurale conduit à une amélioration de leur condition de vie et stimule l‟activité économique.
Toutefois, plusieurs facteurs interviennent et se heurtent à des difficultés : la dispersion de la population, la faiblesse de revenus, l‟inexistence des structures de collectivité. Aussi il est nécessaire d‟explorer de nouvelles solutions possibles pour assurer une électrification rationnelle. L‟énergie solaire photovoltaïque représente une alternative et bien adaptée à des besoins limités. Ainsi, une étude rigoureuse est nécessaire pour faire le meilleur choix et le plus performant avec le moindre coût. En générale, l‟énergie renouvelable est revenue au centre de toutes les intentions essentiellement grâce à leur caractère d‟innocuité pour l‟environnement, ce qui présente certainement une voie de sortie vis-à-vis de notre mode de consommation en énergies fossiles.
L‟énergie est l‟une des facteurs de développement d‟un pays, selon l‟AIE, la consommation mondiale en énergie a augmenté considérablement passant jusqu‟à 9,6.104 TWh par an. Plus de 15% de cette énergie est consommée sous forme d‟électricité. Celui-ci est une énergie difficile à stocker. L‟usage de cette énergie est utilisé sous forme de modèle centralisé, où les unités de production de l‟électricité sont reliées par des réseaux.
NOTION PRELIMINAIRE SUR LE RAYONNEMENT
Nature du rayonnement solaire
Le soleil est constitué principalement d‟un gaz en fusion qui conduit une quantité d‟énergie phénoménale, cette énergie se traduit par l‟émission d‟un rayonnement composé de la longueur d‟onde comprise entre 0,2 µm et 3µm.
La surface du soleil se comporte comme un corps noir à la température de 5 800K. Ceci conduit à un pic d‟émission situé à une longueur d‟onde de 0,5µm pour une puissance de 60MW/m². En tenant compte de la surface apparente du soleil et de la distance soleil-terre, l‟éclairement moyen dans l‟année est de 1,36KW/m² hors atmosphère.
Du fait de la perte par absorption de ces radiations solaires, généralement pondérée par divers facteurs tel que : condition climatique, couche de l‟atmosphère, latitude du lieu et la saison. Chaque élément ou particule de l‟atmosphère absorbe des énergies proches de leurs énergies de liaison : l‟ozone O3 absorbe la longueur d‟onde 0,3µm tandis que le CO2 et H2O la longueur d‟onde 2µm.
Par ailleurs, les poussières et les aérosols absorbent presque la totalité de la gamme spectrale. Tout ceci conduit à une baisse de la puissance incidente. Afin d‟unifier la performance des cellules PV élaboré dans différents laboratoires du monde, il a été utilisé la notion d‟Air Masse (AM).
Evaluation de l’énergie solaire
L‟énergie solaire qui parvient sur une surface plane élémentaire dépend de son emplacement et de son orientation par rapport à la position du soleil. Plusieurs facteurs interviennent pour connaitre le rayonnement global reçu à savoir le temps solaire, la hauteur du soleil et l‟obstacle du rayonnement à travers l‟atmosphère.
Le temps solaire vrai
Le temps solaire vrai TSV est défini par l‟angle horaire ω entre le plan méridien passant par le centre du soleil et le méridien du lieu. Il est compté 0 à 24h à partir du midi vrai. Le jour solaire vrai n‟est pas constant puisque la vitesse de la terre sur sa trajectoire varie.
Le temps solaire moyen
Le temps solaire moyenne TSM en un lieu est donné par l‟angle horaire moyen du soleil, il est compté de 0 à 24 h à partir du midi moyen. Il est basé sur un soleil moyen fictif qui se déplacerait à vitesse constante le long de l‟année. La durée du jour soleil moyen est de 24 h. Ainsi il faut introduire une correction de l‟équation du temps Δt une valeur peut être positive ou négative s‟il convient d‟ajouter ou de retrancher pour avoir le temps vrai :
TSV = TSM + Δt (I-3)
La correction qu‟on admet varie suivant le quantième n c‟est-à-dire le numéro du jour (1 à 365) est donnée par la relation :
∆t = 9,9 sin 2 0,986n + 100 − 7,7sin(0,986n − 2) en minutes (I-4)
Le temps qu‟on utilise couramment est le temps légal (TL). Ce temps est décalé d‟un nombre entier d‟heure par rapport au fuseau origine, le méridien.
L’angle horaire vrai
L‟angle horaire ω d‟un lieu, est l‟angle formé par le cercle horaire par rapport au pôle céleste et le cercle horaire pris pour origine.
SEMI CONDUCTEUR
Interaction photon / semi conducteur
Mise en évidence par Becquerel en 1839, l‟effet photovoltaïque est à l‟origine du phénomène photoélectrique par la réalisation pratique d‟une cellule PV en silicium. On présente les mécanismes de la génération des porteurs électroniques au sein d‟un semi-conducteur.
La caractéristique fondamentale des semi-conducteurs est le gap Eg l‟énergie entre la bande de valence (BV) et la bande de conduction (BC). A l‟équilibre, les électrons possèdent une énergie correspondant à des états situés dans la BV et sont dits lié. Un photon hν supérieur à l‟énergie de gap Eg du matériau, peut provoquer le passage d‟un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Une fois à la bande de valence l‟électron est à l‟état excité, il se crée ainsi la paire électron/trou (e/h) appelée : exciton. La loi de conservation de l‟énergie et de la quantité de mouvement s‟applique lors de ce transfert d‟électron. Lors de cette transition le vecteur d‟onde k reste inchangé.
Lorsque le minimum de la bande de conduction correspond au maximum de la bande de valence, on parle de gap direct. Les transitions inter bande s‟effectuent verticalement, et sont donc radiatives. Le matériau silicium cristallin (c-Si) de photon très énergétiques voient un gap direct (E>1,8eV). Pour les énergies plus faibles, le gap est indirect car la transition radiative entre les extrema des bandes ne peuvent se faire qu‟avec la participation des vibrations du réseau apportant ou absorbant la quantité de mouvement nécessaire appelées phonons. Les transitions entre l‟extrema des bandes sont obliques donc non radiatives puisqu‟elles impliquent un changement de vecteur d‟onde de l‟électron. La transition indirecte est moins probable que le gap direct. L‟effet photoélectrique est donc plus ou moins important en fonction du matériau semi-conducteur utilisé.
L‟interaction entre un photon et un semi-conducteur se traduit par une caractéristique dans le domaine photovoltaïque : le coefficient d‟absorption. C‟est le nombre de photon absorbés par unité d‟épaisseur du matériau en fonction de la longueur d‟onde. Le cas du silicium est représenté sur la figure. On constate que pour les longueurs d‟ondes inférieures à 365nm, la majorité des photons incidents est absorbée dans les 100 premiers Ä du matériau.
L‟augmentation de la longueur d‟onde des photons entraine une diminution du coefficient d‟absorption. Et lorsque l‟énergie du photon devient inférieure à celle du gap, la transition n‟est plus possible et le photon n‟est pas absorbé. Ainsi, il faut fournir une énergie minimum pour que le matériau puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction) ou gap. Cette valeur est propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si) et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si).
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