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La fabrication des modules photovoltaïques

L'énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d'une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d'énergie s'effectue par le biais d'une cellule dite photovoltaïque, basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à produire un courant lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière.

Un module photovoltaïque consiste à regrouper des cellules photovoltaïques en série ou en parallèle afin de permettre leur utilisation à des tensions et courants pratiques tout en assurant leur isolation électrique et leur protection contre les facteurs extérieurs tels que l'humidité, la pluie, la neige, la poussière, la corrosion ou les chocs mécaniques.
Le procédé de fabrication s'appelle aussi l'encapsulation. Le processus d'encapsulation des modules photovoltaïque est réalisé dans des usines de production.

Le but de ce cours est de comprendre le procédé de fabrication des modules photovoltaïques. Le plan du cours est le suivant :

LA FABRICATION DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES

  1. Les constituants d'un module photovoltaïque
  2. Assemblage des cellules photovoltaïques
  3. Etape de lamination
  4. Etape de polymérisation


Constitution des modules photovoltaïques



La définition du module photovoltaïque, selon le guide pratique UTE C15-712, est le plus petit ensemble de cellules solaires photovoltaïques interconnectées complètement protégé contre l'environnement :

Module photovoltaïque Module photovoltaïque

Dans la fabrication d'un module photovoltaïque, l'encapsulation a pour but de regrouper les cellules en série ou en parallèle afin de permettre leur utilisation à des tensions et des courants pratiques tout en assurant leur isolation électrique et leur protection contre les facteurs extérieurs. Cette protection doit permettre une durée de vie des modules photovoltaïques supérieure à 20 ans.
En pratique, l'encapsulation consiste à la mise en sandwich de l'ensemble constitué par les cellules et le matériau encapsulant (EVA) entre deux plaques de verre (procédé bi-verre) ou entre une plaque de verre et un ensemble constitué de couches minces de polymère (tedlar, mylar) et d'aluminium (procédé mono-verre).

L'encapsulation des cellules photovoltaïques est illustrée sur la figure ci-dessous :

Schéma éclaté d'un module photovoltaïque mono-verre
Le module photovoltaïque consiste en un lot de cellules photovoltaïques connectées entre elles, puis enrobées dans une résine transparente, l'EVA.

La face arrière des cellules est recouverte d'une film multicouche composé de Tedlar et d'aluminum.

La face avant des cellules est quant à elle recouverte d'une verre.

Les connexions de sortie de la face arrière des cellules sont isolées électriquement par un film de polymère transparent, nommé Mylar.

Cette assemblage est effectué à vide.
      

Le verre
Il s'agit d'un verre trempé de 4 mm d'épaisseur.

On qualifie ce verre de "verre solaire". Cela signifie que le verre a une faible teneur en fer. Ceci permet une meilleure transmission optique. En générale, la transmission optique du verre d'un module photovoltaïque est de l'ordre de 95 % dans la gamme utile du spectre solaire (380 nm à 1 200 nm). La face extérieure du verre, traité à l'acide fluosilicique ( H2SiF6 ), est recouverte de nano pores qui piègent la lumière incidente et réduisent la réflexion en surface à une valeur inférieure à 8 % dans la gamme 380 nm à 1 200 nm.

En face intérieure, le verre est micro-structuré, augmentant ainsi le rendement par éclairage diffus.

L'EVA
L'EVA est une résine tranparente enrobant les cellules photovoltaïques. Chimiquement, l'EVA est formé de chaînes de copolymère d'éthylène et de vinyle d'acétate.
L'EVA est utilisée car ce produit présente de grande propriétés adhésive, diélectrique (c'est-à-dire qu'il ne peut pas conduire le courant), thermique et d'étanchéïté (il dispose d'un très faible taux d'absorption d'eau). Bien entendu, l'EVA présente aussi une excellente transmission optique (supérieure à 90% selon le type d'EVA) dans la gamme utile du spectre solaire (380 nm à 1 200 nm).

Le mylar
Le mylar, utilisé pour isoler électriquement les connexions de sortie de la face arrière des cellules, est un film polymère transparent.
Chimiquement, il s'agit un composé de polyéthylène de téréphtalaque, de constante diélectrique très élevée lui permettant d'être un très bon isolant électrique.

Le Tedlar
Le TEDLAR est un polymère fluoré. Le rôle majeur du TEDLAR, dans un module photovoltaïque, est la protection de surface. En effet, le TEDLAR résistent particulièrement bien aux agressions extérieures (UV, variations de température, atmosphères corrosives, ...), à l’abrasion ainsi qu’aux produits chimiques.

Cadre en aluminium
Le cadre en aluminium se justifie par la haute résistance de celui-ci à l'humidité ainsi qu'aux chocs mécaniques.

Le cadre en aluminium peut être anodisé. L'anodisation est un traitement de surface qui permet de protéger ou de décorer une pièce en aluminium par oxydation anodique (couche électriquement isolante de 5 à 50 micromètres). Elle octroie aux matériaux une meilleure résistance à l'usure, à la corrosion et à la chaleur.