Le principe et les technologies du photovoltaïque

L’énergie solaire est utilisée essentiellement pour 2 usages, la production de chaleur d’une part et la production d’électricité d’autre part.

Une installation solaire thermique permet de fournir de l’eau chaude pour l’usage domestique ou pour le chauffage, tandis que celle photovoltaïque produit de l’électricité pouvant être utilisée sur place ou réinjectée dans le réseau de distribution électrique.

Les installations photovoltaïques utilisent des cellules qui convertissent la radiation solaire en électricité. Ces cellules sont constituées d’une ou deux couches de matériaux semi-conducteurs. Lorsque la lumière atteint la cellule, cela crée un champ électrique à travers les couches et ainsi un flux électrique. Plus la lumière est intense, plus le flux électrique est important.

Le principe de l’effet photovoltaïque

Les particules de lumière ou photons heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couches minces puis transfèrent leur énergie aux électrons présents dans la matière qui se mettent alors en mouvement dans une direction particulière.

Le courant électrique continu qui se crée par le déplacement des électrons est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et ensuite acheminé à la cellule photovoltaïque suivante.

Le courant s’additionne en passant d’une cellule à l’autre jusqu’aux bornes de connexion du panneau et il peut ensuite s’additionner à celui des autres panneaux raccordés au sein d’une installation.

Deux grandes familles de technologies photovoltaïques sont actuellement mises en œuvre dans les installations au sol.

Les technologies cristallines

Elles utilisent des cellules plates extrêmement fines (0,15 à 0,2 mm), découpées dans un lingot obtenu par fusion et moulage du silicium, puis connectées en série les unes aux autres pour être finalement recouvertes par le verre de protection du module. Les trois formes du silicium (monocristallin, polycristallin et en ruban) permettent trois technologies cristallines qui se différencient par leur rendement et leur coût (selon les conditions d’exploitation).

Les technologies cristallines représentent près de 95 % de la production mondiale de modules photovoltaïques.

Les technologies dites couches minces

Elles consistent à déposer sur un substrat (verre, métal, plastique…) une fine couche uniforme composée d’un ou de plusieurs matériaux réduits en poudre. Cette opération se réalise sous vide. Parmi les technologies couches minces, la première a été historiquement celle utilisant le silicium amorphe. Aujourd’hui ces flières utilisent principalement :

• le tellurure de cadmium (CdTe), qui présente l’avantage d’un coût modéré ;

• le cuivre/indium/sélénium (CIS) ou cuivre/indium/gallium/sélénium (CIGS) ou cuivre/indium/ gallium/disélénide/disulphide (CIGSS), qui présentent les rendements les plus élevés parmi les couches minces, mais à un coût plus élevé ;

• l’arséniure de gallium (Ga-As) dont le haut rendement et le coût très élevé réservent son usage essentiellement au domaine spatial.

La performance d’une cellule solaire se mesure par son rendement de conversion de la lumière du soleil en électricité. En moyenne, les cellules solaires ont un rendement de 15 %. La capacité des cellules photovoltaïques est exprimée en kilowatt crête (kWc). Il s’agit de la puissance générée dans des conditions d’essai normalisées.

Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques de différentes technologies.