Tout savoir sur le solaire photovoltaïque : une électricité abondante et éternelle

L’effet de la technologie photovoltaïque a été observé dès 1839 par Alexandre Edmund Becquerel et a fait l’objet de recherches scientifiques jusqu’au début du vingtième siècle. En 1954, les Bell Labs aux États-Unis ont présenté le premier dispositif photovoltaïque produisant une quantité d’électricité utilisable. En 1958, les cellules solaires étaient utilisées dans diverses applications scientifiques et commerciales à petite échelle.

Pendant la crise énergétique des années 1970, l’utilisation de cellules solaires pour produire de l’électricité dans les foyers et les entreprises a suscité un grand intérêt, mais les prix prohibitifs (près de 30 fois plus élevés qu’aujourd’hui) ont rendu les applications à grande échelle peu pratiques.

Le développement de l’industrie et la recherche dans les années suivantes ont rendu les dispositifs photovoltaïques plus réalisables et ont lancé un cycle d’augmentation de la production et de diminution des coûts qui se poursuit aujourd’hui.

Qu’est ce que l’énergie photovoltaïque ? Rapide résumé

Les dispositifs photovoltaïques (PV) produisent de l’électricité directement à partir de la lumière du soleil grâce à un processus électronique qui se produit naturellement dans certains types de matériaux appelés semi-conducteurs. Les électrons contenus dans ces matériaux sont libérés par l’énergie solaire et peuvent circuler dans un circuit électrique pour alimenter des appareils électriques ou envoyer de l’électricité vers le réseau. Un système photovoltaïque est composé d’un ou plusieurs panneaux solaires associés à un onduleur et potentiellement des batteries de stockage qui utilisent l’énergie du soleil pour produire de l’électricité et la redistribuer soit sur le réseau (systèmes sans batteries de stockage) soit dans la maison une fois que le soleil est couché (vous l’aurez comprit, il faut alors des batteries pour la stocker la nuit venue).

Les dispositifs photovoltaïques peuvent être utilisés pour alimenter n’importe quoi, des petits appareils électroniques, comme les calculatrices et les panneaux de signalisation, aux maisons et même – à l’échelle industrielle – remplacer des centrales électriques polluantes comme les centrales à charbon ou les centrales thermiques (à fioul ou gaz généralement). On parlera alors de centrales solaires (un article dédié est disponible en cliquant sur ce lien)

A la base de tout : qu’est ce que l’effet photovoltaïque ?

L’effet photovoltaïque est un processus qui génère une tension ou un courant électrique dans une cellule photovoltaïque lorsqu’elle est exposée à la lumière du soleil. C’est cet effet qui rend les panneaux solaires utiles, car c’est ainsi que les cellules du panneau convertissent la lumière du soleil en énergie électrique. L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Edmond Becquerel. Lors d’expériences sur des cellules humides, il a remarqué que la tension de la cellule augmentait lorsque ses plaques d’argent étaient exposées à la lumière du soleil.

L’effet photovoltaïque se produit dans les cellules solaires. Ces cellules solaires sont composées de deux types différents de semi-conducteurs – un de type p et un de type n – qui sont joints ensemble pour créer une jonction p-n. En joignant ces deux types de semi-conducteurs, un champ électrique se forme dans la région de la jonction, car les électrons se déplacent vers le côté positif p et les trous se déplacent vers le côté négatif n. Ce champ provoque la formation de particules chargées négativement. Ce champ provoque le déplacement des particules chargées négativement dans une direction et des particules chargées positivement dans l’autre direction.

La lumière est composée de photons, qui sont simplement de petits paquets de rayonnement électromagnétique ou d’énergie. Ces photons peuvent être absorbés par une cellule photovoltaïque – le type de cellule qui compose les panneaux solaires. Lorsque la lumière d’une longueur d’onde appropriée est incidente sur ces cellules, l’énergie du photon est transférée à un atome du matériau semi-conducteur dans la jonction p-n. Plus précisément, l’énergie est transférée aux électrons du matériau. Les électrons passent alors à un état d’énergie supérieur, appelé bande de conduction. Cela laisse derrière lui un « trou » dans la bande de valence d’où l’électron a sauté. Ce mouvement de l’électron résultant d’un apport d’énergie crée deux porteurs de charge, une paire électron-trou.

Lorsqu’ils ne sont pas excités, les électrons maintiennent la cohésion du matériau semi-conducteur en formant des liaisons avec les atomes environnants, et ils ne peuvent donc pas se déplacer. Cependant, dans leur état excité dans la bande de conduction, ces électrons sont libres de se déplacer dans le matériau. En raison du champ électrique qui existe du fait de la jonction p-n, les électrons et les trous se déplacent dans la direction opposée à celle attendue. Au lieu d’être attiré vers le côté p, l’électron libre a tendance à se déplacer vers le côté n. Ce mouvement de l’électron crée un champ électrique. Ce mouvement de l’électron crée un courant électrique dans la cellule. Une fois que l’électron s’est déplacé, il reste un « trou ». Ce trou peut également se déplacer, mais dans la direction opposée à celle du côté p. C’est ce processus qui crée le courant électrique.

Alors, comment fonctionne un panneau photovoltaïque ?

On l’aura comprit avec l’explication de l’effet photovoltaïque : des photons frappent et ionisent le matériau semi-conducteur du panneau solaire, ce qui a pour effet de libérer les électrons externes de leurs liaisons atomiques. En raison de la structure du semi-conducteur, les électrons se déplacent dans une seule direction, créant ainsi un flux de courant électrique. Les cellules solaires en silicium cristallin ne sont pas efficaces à 100 %, notamment parce que seule une partie du spectre lumineux peut être absorbée. Une partie du spectre lumineux est réfléchie, une autre est trop faible pour créer de l’électricité (infrarouge), et une autre (ultraviolet) crée de l’énergie thermique (ca chauffe) au lieu d’électricité.

De quoi est composée une installation photovoltaïque ?

Outre les panneaux solaires, il existe d’autres composants importants d’un système photovoltaïque. Ces composants (qui représentent généralement plus de la moitié du coût du système et la plupart de la maintenance) peuvent inclure des onduleurs, des supports, des câblages, des combinateurs, des déconnexions, des disjoncteurs et des compteurs électriques.

Panneau solaire

Un panneau solaire photovoltaïque se compose de nombreuses cellules solaires dotées de propriétés semi-conductrices et encapsulées dans un matériau qui les protège de l’environnement. Ces propriétés permettent à la cellule de capter la lumière, ou plus précisément les photons du soleil, et de convertir leur énergie en électricité utile par un processus appelé effet photovoltaïque. De chaque côté du semi-conducteur se trouve une couche de matériau conducteur qui « recueille » l’électricité produite. La face éclairée du panneau contient également un revêtement anti-reflet pour minimiser les pertes dues à la réflexion. La majorité des panneaux solaires produits dans le monde sont fabriqués à partir de silicium cristallin, dont le rendement théorique est limité à 33 % pour convertir l’énergie du soleil en électricité. De nombreux autres matériaux semi-conducteurs et technologies de cellules solaires ont été développés pour obtenir des rendements plus élevés, mais leur coût de fabrication est plus élevé.

Onduleurs

Un onduleur est un dispositif électrique clé pour les systèmes photovoltaïques. Il accepte le courant électrique sous forme de courant continu (CC) et le convertit en courant alternatif (CA). Pour les systèmes d’énergie solaire, cela signifie que le courant continu provenant du panneau solaire passe par un onduleur qui le convertit en courant alternatif. Cette conversion est nécessaire pour faire fonctionner la plupart des appareils électriques ou pour s’interfacer avec le réseau électrique. Les onduleurs sont importants pour presque tous les systèmes d’énergie solaire et sont généralement le composant le plus cher après les panneaux solaires eux-mêmes.
La plupart des onduleurs ont des rendements de conversion de 90 % ou plus et contiennent d’importantes fonctions de sécurité, notamment l’interruption du circuit en cas de défaut à la terre et l’anti-îlotage. Ces dispositifs arrêtent le système PV en cas de perte d’alimentation du réseau.

Rack / Système de fixation

Le rack désigne le dispositif de montage qui fixe le dispositif solaire au sol ou sur le toit. Généralement construits en acier ou en aluminium, ces appareils fixent mécaniquement les panneaux solaires en place avec un haut niveau de précision. Les systèmes de rayonnage doivent être conçus pour résister à des phénomènes météorologiques extrêmes tels que des vents de la force d’un ouragan ou d’une tornade et/ou de fortes accumulations de neige. Une autre caractéristique importante des systèmes de rayonnage consiste à relier électriquement et à mettre à la terre le champ solaire pour éviter toute électrocution. Les systèmes de rayonnages sur toiture se déclinent généralement en deux versions : les systèmes pour toit plat et les systèmes pour toit en pente. Pour les toits plats, il est courant que le système de rayonnage comprenne un ballast lesté pour maintenir le champ solaire sur le toit par gravité. Sur les toits en pente, le système de supportage doit être ancré mécaniquement à la structure du toit. Les systèmes PV montés au sol, peuvent également utiliser du lest ou des ancrages mécaniques pour fixer le générateur au sol. Certains systèmes de rack au sol intègrent également des systèmes de suivi qui utilisent des moteurs et des capteurs pour suivre le soleil dans le ciel, ce qui augmente la quantité d’énergie produite, mais entraîne des coûts d’équipement et de maintenance plus élevés.

Autres composants

Les autres composants d’un système photovoltaïque typique comprennent les combinateurs, les déconnecteurs, les disjoncteurs, les compteurs et le câblage.

Un combinateur solaire, comme son nom l’indique, combine deux ou plusieurs câbles électriques en un seul plus grand. Les combinateurs comprennent généralement des fusibles pour la protection et sont utilisés sur tous les panneaux solaires de taille moyenne à grande et à l’échelle du service public.

Les sectionneurs sont des interrupteurs électriques qui permettent la déconnexion manuelle d’un fil électrique. Généralement utilisés de part et d’autre d’un onduleur, à savoir le « DC disconnect » et le « AC disconnect », ces dispositifs assurent l’isolation électrique lorsqu’un onduleur doit être installé ou remplacé.

Les coupe-circuits ou disjoncteurs protègent les systèmes électriques contre les surintensités ou les surtensions. Conçus pour se déclencher automatiquement lorsque le courant atteint une valeur prédéterminée, les disjoncteurs peuvent également être actionnés manuellement, agissant comme une déconnexion supplémentaire.

Un compteur électrique mesure la quantité d’énergie qui le traverse et est généralement utilisé par les compagnies d’électricité pour mesurer et facturer les clients. Pour les systèmes photovoltaïques, un compteur électrique bidirectionnel spécial est utilisé pour mesurer à la fois l’énergie entrante du service public et l’énergie sortante du système photovoltaïque.

Enfin, le câblage ou les câbles électriques transportent l’énergie électrique depuis et entre chaque composant et doivent être correctement dimensionnés pour transporter le courant. Le câblage exposé à la lumière du soleil doit être protégé contre l’exposition aux UV, et les fils transportant du courant continu nécessitent parfois une gaine métallique pour une protection supplémentaire.

Quels sont les types de panneaux photovoltaïques ?

Les cellules photovoltaïques peuvent être fabriquées de différentes manières et à partir d’une variété de matériaux différents. Malgré cette différence, elles accomplissent toutes la même tâche, à savoir récolter l’énergie solaire et la convertir en électricité. Le matériau le plus courant pour la construction de panneaux solaires est le silicium, qui possède des propriétés semi-conductrices. Plusieurs de ces cellules solaires sont nécessaires pour construire un panneau solaire et de nombreux panneaux constituent une centrale photovoltaïque.

Il existe trois types de technologies de cellules photovoltaïques qui dominent le marché mondial : le silicium monocristallin, le silicium polycristallin et les couches minces. Les technologies PV à rendement plus élevé, notamment l’arséniure de gallium et les cellules à jonctions multiples, sont moins courantes en raison de leur coût élevé, mais elles sont idéales pour les systèmes photovoltaïques concentrés et les applications spatiales[3]. Il existe également un assortiment de technologies de cellules PV émergentes, notamment les cellules pérovskites, les cellules solaires organiques, les cellules solaires à colorant et les points quantiques.

Cellule en silicium monocristallin

Les premières cellules solaires disponibles dans le commerce étaient fabriquées à partir de silicium monocristallin, qui est une forme extrêmement pure de silicium. Pour les produire, un germe cristallin est extrait d’une masse de silicium fondu, créant ainsi un lingot cylindrique doté d’une structure cristalline unique et continue. Ce cristal est ensuite scié mécaniquement en fines tranches, poli et doublé pour créer la jonction p-n requise. Après l’application d’un revêtement antireflet et l’ajout des contacts métalliques avant et arrière, la cellule est finalement câblée et emballée avec de nombreuses autres cellules pour former un panneau solaire complet. Les cellules de silicium monocristallin sont très efficaces, mais leur processus de fabrication est lent et nécessite une main-d’œuvre importante, ce qui les rend plus chères que leurs homologues polycristallines ou à couche mince.

Cellule de silicium polycristallin

Au lieu d’une structure cristalline unique et uniforme, les cellules polycristallines (ou multicristallines) contiennent de nombreux petits grains de cristaux. On peut les fabriquer en coulant simplement une masse de forme cubique à partir de silicium fondu, puis en le sciant et en le conditionnant comme les cellules monocristallines. Une autre méthode, appelée « edge-defined film-fed growth » (EFG), consiste à tirer un mince ruban de silicium polycristallin à partir d’une masse de silicium fondu. Alternative moins chère mais moins efficace, les cellules PV en silicium polycristallin dominent le marché mondial, représentant environ 70 % de la production mondiale de PV en 2015.

Cellules à couches minces

Bien que les cellules PV cristallines dominent le marché, les cellules peuvent également être fabriquées à partir de films minces, ce qui les rend beaucoup plus flexibles et durables. Un type de cellule PV à couche mince est le silicium amorphe (a-Si) qui est produit en déposant de fines couches de silicium sur un substrat en verre. Le résultat est une cellule très fine et flexible qui utilise moins de 1 % du silicium nécessaire à une cellule cristalline. Grâce à cette réduction de la matière première et à un processus de fabrication moins gourmand en énergie, les cellules au silicium amorphe sont beaucoup moins chères à produire. Leur efficacité est toutefois fortement réduite car les atomes de silicium sont beaucoup moins ordonnés que dans leur forme cristalline, laissant des « liaisons pendantes » qui se combinent avec d’autres éléments, ce qui les rend électriquement inactifs. Ces cellules souffrent également d’une baisse de rendement de 20 % au cours des premiers mois de fonctionnement avant de se stabiliser, et sont donc vendues avec des puissances nominales basées sur leur rendement dégradé.

D’autres types de cellules à couche mince comprennent le diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) et le tellurure de cadmium (CdTe). Ces technologies de cellules offrent des rendements plus élevés que le silicium amorphe, mais contiennent des éléments rares et toxiques, dont le cadmium, qui nécessitent des précautions supplémentaires lors de la fabrication et du recyclage éventuel. ils sont ainsi assez peu commercialisés.

Autres technologies connues ou en développement

Cellules à haut rendement

D’autres technologies de cellules ont été développées, qui fonctionnent à des rendements beaucoup plus élevés que ceux mentionnés ci-dessus, mais leurs coûts de matériaux et de fabrication plus élevés interdisent actuellement une utilisation commerciale à grande échelle.

Arséniure de gallium

Le silicium n’est pas le seul matériau convenant aux cellules photovoltaïques cristallines. L’arséniure de gallium (GaAs) est un autre semi-conducteur qui convient parfaitement aux applications photovoltaïques. L’arséniure de gallium a une structure cristalline similaire à celle du silicium monocristallin, mais avec une alternance d’atomes de gallium et d’arsenic.

En raison de son coefficient d’absorption de la lumière plus élevé et de sa bande interdite plus large, les cellules en GaAs sont beaucoup plus efficaces que celles en silicium. En outre, les cellules en GaAs peuvent fonctionner à des températures beaucoup plus élevées sans dégradation considérable des performances, ce qui les rend adaptées au photovoltaïque concentré. Les cellules GaAs sont produites en déposant des couches de gallium et d’arsenic sur une base de GaAs monocristallin, qui définit l’orientation de la nouvelle croissance cristalline. Ce processus rend les cellules GaAs beaucoup plus coûteuses que les cellules en silicium, ce qui les rend utiles uniquement lorsqu’un rendement élevé est nécessaire, comme dans les applications spatiales.

Multi-Jonction

La majorité des cellules PV, y compris celles mentionnées ci-dessus, ne contiennent qu’une seule jonction p-n de matériau semi-conducteur qui convertit l’énergie d’une partie discrète du spectre solaire en électricité utile. Les cellules à jonctions multiples comportent deux ou plusieurs jonctions superposées, ce qui permet de collecter l’énergie de plusieurs parties du spectre. La lumière qui n’est pas absorbée par la première couche traverse les couches suivantes et interagit avec elles. Les cellules à jonctions multiples sont produites de la même manière que les cellules à l’arséniure de gallium, c’est-à-dire en déposant lentement des couches de matériau sur une base monocristalline, ce qui rend leur production très coûteuse et ne les rend commercialement viables que dans les systèmes photovoltaïques concentrés et les applications spatiales.

Autres technologies de cellules émergentes

L’électricité peut également être produite par l’interaction de la lumière sur de nombreux autres matériaux. Les cellules solaires en pérovskite, qui doivent leur nom à leur structure cristalline spécifique, peuvent être produites à partir de composés organiques de plomb et d’éléments tels que le chlore, le brome ou l’iode. Elles sont relativement bon marché à produire et peuvent afficher des rendements proches de ceux des cellules en silicium disponibles dans le commerce, mais elles sont actuellement limitées par leur courte durée de vie. Les cellules solaires organiques sont constituées de couches de polymères et peuvent être produites à bas prix et en grande quantité. Ces cellules peuvent être produites sous la forme d’un film semi-transparent, mais leur rendement est relativement faible. Les cellules solaires sensibilisées par un colorant peuvent être produites en utilisant du dioxyde de titane semi-conducteur et une couche de colorant « sensibilisateur » d’une seule molécule d’épaisseur. Ces cellules affichent des rendements modestes mais ne peuvent pas résister à une lumière solaire intense sans se dégrader. Les points quantiques utilisent la nanotechnologie pour manipuler des matériaux semi-conducteurs à des échelles extrêmement petites. Des « nanoparticules » composées de seulement 10 000 atomes peuvent être adaptées à différentes parties du spectre solaire en fonction de leur taille et combinées pour absorber une large gamme d’énergie. Bien que les rendements théoriques soient extrêmement élevés, les rendements des tests en laboratoire sont encore très faibles.

Quel est le coût d’une installation photovoltaïque ?

Le coût du photovoltaïque a chuté de façon spectaculaire à mesure que l’industrie a augmenté sa production et amélioré progressivement la technologie grâce à de nouveaux matériaux. Les coûts d’installation ont également diminué grâce à des installateurs plus expérimentés et formés.

La plupart des cellules solaires modernes sont constituées de silicium cristallin ou de matériaux semi-conducteurs à couche mince. Les cellules en silicium sont plus efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité, mais leur coût de fabrication est généralement plus élevé. Les matériaux à couches minces ont généralement un rendement plus faible, mais peuvent être plus simples et moins chers à produire. Une catégorie spécialisée de cellules solaires, appelées cellules multijonction ou tandem, est utilisée dans les applications nécessitant un poids très faible et un rendement très élevé, comme les satellites et les applications militaires. Tous les types de systèmes photovoltaïques sont largement utilisés aujourd’hui dans une variété d’applications..

Puissance de crête de l’installation solaire	Budget prévisionnel (en € par Watt-crêtes)	Prix tout comprit en fonction de chaque installation
Inférieur à 3kWc(moins de 3000 kWh par an)	3,5 euros HT/Wc	Moins de 3500 €
3 à 9 kWc(3000 à 9000 kWh par an)	2,2 à 3 euros HT/Wc	De 7000 à 29 000 €
9 à 36 kWc(9000 à 36 000 kWh par an)	1,8 à 2,5 euros/Wc	De 17 000 à 95 000 €
36 à 100 kWc(36 000 à 100 000 kWh par an)	1,5 à 2 euros HT/Wc	De 56 000 à 210 000 €
100 à 250 kWc(100 000 à 250 000 kWh par an)	1,2 à 1,5 euro HT/Wc	De 130 000 à 380 000 €

La chute rapide des prix a rendu l’énergie solaire plus abordable que jamais. Le coût moyen d’un système photovoltaïque complet a diminué de 59 % au cours de la dernière décennie