Comment fonctionne un panneau solaire photovoltaïque ?

Considéré comme une source d'énergie alternative prometteuse pendant des décennies, les panneaux solaires protègent les toits et les panneaux routiers, et contribuent à maintenir l'énergie des vaisseaux spatiaux et des satellites.

Autrement dit, un panneau solaire fonctionne en permettant aux photons ou aux particules de lumière, de frapper des électrons exempts d'atomes, générant un flux d'électricité. Les panneaux solaires comportent en fait de nombreuses unités plus petites appelées cellules photovoltaïques. (le photovoltaïque signifie simplement qu'ils transforment la lumière du soleil en électricité.) De nombreuses cellules liées ensemble forment un panneau solaire (voir : gamme souple ou pliable).


Image et descriptif d'une cellule photovoltaïque

Cellule photovoltaïque



Chaque cellule photovoltaïque est essentiellement un sandwich composé de deux tranches de matériau semi-conducteur, généralement du silicium - le même matériau utilisé en microélectronique.

Pour travailler, les cellules photovoltaïques doivent établir un champ électrique. Tout comme un champ magnétique, qui se produit en raison de pôles opposés, un champ électrique se produit lorsque des charges opposées sont séparées. Pour obtenir ce champ, les fabricants "dopent" le silicium avec d'autres matériaux, donnant à chaque tranche du sandwich une charge électrique positive ou négative.


 
Explications physiques du fonctionnement

Plus précisément dans un panneau solaire photovoltaïque, ils sèment du phosphore dans la couche supérieure de silicium, ce qui ajoute des électrons supplémentaires, avec une charge négative, à cette couche. Pendant ce temps, la couche inférieure obtient une dose de bore, ce qui entraîne moins d'électrons ou une charge positive. Tout cela s'ajoute à un champ électrique à la jonction entre les couches de silicium. Ensuite, lorsqu'un photon de lumière du soleil frappe, un électron libre, le champ électrique poussera cet électron hors de la jonction de silicium.

Schéma Panneau solaire photovoltaïque
Panneau solaire photovoltaïque

Quelques autres composants de la cellule transforment ces électrons en puissance utilisable. Des plaques métalliques conductrices sur les côtés de la cellule collectent les électrons et les transfèrent aux fils. À ce moment-là, les électrons peuvent circuler comme toute autre source d'électricité.

Il existe d'autres types de technologie de l'énergie solaire  y compris la solaire thermique et l'énergie solaire concentrée (CSP)  qui fonctionnent différemment que les panneaux solaires photovoltaïques, mais tous exploitent la puissance de la lumière du soleil pour créer de l'électricité ou pour chauffer de l'eau ou de l'air.

En résumé :

Qu'est-ce qu'une cellule solaire ?

Les cellules solaires sont de petits dispositifs qui peuvent transformer la lumière du soleil en électricité. Une seule cellule ne fournira qu'une très faible puissance. Plusieurs cellules connectées entre elles et fixées dans un cadre forment un panneau solaire (ou un module), ce qui peut produire une plus grande quantité de puissance utile. Lorsque plusieurs panneaux sont connectés, vous disposez d'un réseau solaire.

Comment l'électricité est-elle produite ?

Mettez simplement une cellule solaire comme ça : à l'intérieur d'une cellule solaire, vous avez deux couches de cristaux de silicium, placées l'une sur l'autre pour faire une sorte de sandwich au silicium. La couche supérieure a été spécialement traitée de sorte que ses atomes soient instables, ils ont un trop grand nombre d'électrons dont ils voudraient vraiment se débarrasser. La couche inférieure a également été traitée, mais cette fois, les atomes ont quelques espaces vides qui pourraient vraiment faire avec un électron pour les remplir.

Donc dans un panneau solaire photovoltaïque, la couche supérieure est désespérée de perdre quelques électrons, la couche inférieure est désespérée de gagner quelques électrons, et les électrons eux-mêmes sont démangeaisons pour se déplacer de la couche supérieure vers le bas. Cette configuration met tout en place pour que l'électricité soit produite. Il n'y a qu'un seul problème : les électrons dans le cristal de silicium ne peuvent pas se déplacer librement pas jusqu'à ce que le panneau solaire soit exposé à la lumière.

Contraintes et avenir de cette énergie
 
Une grande partie de la variabilité inhérente à la génération solaire est également prévisible et gérable, et peut être traitée de plusieurs façons, y compris:
  • Utiliser de meilleurs outils de prévision pour permettre des prédictions plus précises de la baisse de la production solaire.
  • Installation de l'énergie solaire dans une grande zone géographique pour minimiser tout impact de la variabilité de génération en raison de la couverture nuageuse locale.
  • Déplacement de l'alimentation électrique et stockage de l'excès d'énergie pour une utilisation ultérieure.
  • Réduire la demande d'électricité en encourageant les clients à utiliser l'électricité lorsqu'elle est plus facilement disponible.
  • Collaborer avec les régions voisines pour étendre les capacités d'importation / exportation d'électricité et partager des ressources.
  • Informations utiles avant de faire votre installation : voir ici

Types de panneaux selon les matériaux


Il existe différents types de panneaux solaires selon les matériaux semi-conducteurs et les méthodes de fabrication utilisées. Les types de panneaux solaires qui se trouvent sur le marché sont :


- Silicium monocristallin pur : Basé sur des sections d'une barre de silicium parfaitement cristallisé d'une seule pièce. En laboratoire, des rendements maximaux de 24,7% ont été réalisés pour ce type de panneau, ce type de panneau correspond à 16% des ventes.


Panneau solaire monocristallin rendement prix 100w - 150w - 200w - 250w
Panneau solaire monocristallin


- Silicium pur polycristallin : Les matériaux sont semblables à ceux du type précédent, bien que dans ce cas, le processus de cristallisation du silicium soit différent. Les panneaux polycristallins sont basés sur des sections d'une barre de silicium qui a été structurée de manière désordonnée sous forme de petits cristaux. Ils sont visuellement très reconnaissables, car leur surface présente une apparence granuleuse. Ils ont obtenu un rendement inférieur à celui monocristallin (dans le laboratoire de 19,8% et dans les modules commerciaux de 14%) et leur prix est également inférieur.



Panneau solaire polycristallin rendement et prix 250w - 300w
Panneau solaire polycristallin

En raison des caractéristiques physiques du silicium cristallisé, les panneaux fabriqués à l'aide de cette technologie ont une épaisseur considérable. En utilisant du silicium avec une autre structure ou d'autres matériaux semi-conducteurs, il est possible d'obtenir des panneaux plus minces et plus polyvalents qui permettent même dans certains cas leur adaptation à des surfaces irrégulières. Ce sont les soi-disant panneaux minces.

Ainsi, les types de panneaux en couches minces sont :

- Silicium amorphe : aussi basé sur le silicium, mais contrairement aux deux précédents, ce matériau ne suit aucune structure cristalline ici. Les panneaux de ce type sont généralement utilisés pour les petits appareils électroniques (calculatrices, horloges) et petits panneaux portables. Son rendement maximal atteint en laboratoire a été de 13% et représente 8% des ventes.

- Tellurure de cadmium : performance en laboratoire 16% et représente 8% des ventes.

- Arséniure de gallium :  L'un des matériaux les plus efficaces présente un rendement dans le laboratoire de 25,7% , il représente 20% des panneaux commercialisés.

Conseils avant achat

Rappelez-vous que, surtout pour les bâtiments et les constructions avec un espace de toit suffisant, l'efficacité maximale d'un panneau n'est pas la considération principale pour la plupart des futurs propriétaires de systèmes solaires. S'il n'y a pas de contraintes budgétaires, il est plus important de considérer le système dans sa globalité, en équilibrant le prix et la qualité. Dans certains cas, un rendement de pointe élevé peut servir de repère et prouver que le produit est « high-tech» ou à la pointe de la technologie et qu'il mérite son prix plus élevé.

Bien que la technologie de qualité soit importante dans le choix des panneaux solaires, il est également essentiel de garder à l'esprit que les cellules solaires au silicium monocristallin et polycristallin sont des technologies éprouvées, et que l'une ou l'autre ne devrait pas automatiquement être considérée comme meilleure.

Le facteur clé de différenciation entre les fabricants est de savoir si l'entreprise en question investit dans la recherche et le développement.