Photovoltaïque

Principes & fonctionnement

La mise en œuvre

Les aspects financiers

Les aspects administratifs

Photovoltaïque (PV)

Chaque jour, la terre reçoit, en provenance du soleil, l’énergie équivalente à la consommation électrique de près de 6 milliards de personnes pendant un quart de siècle ! Non, nous ne manquons pas d’énergie…
Grâce à la technologie photovoltaïque, il est possible de transformer cette énergie en électricité. Le mot photovoltaïque trouve ses racines dans le mot grec « phôtos », qui signifie lumière (photon) et dans « Volta », nom du physicien italien qui découvrit la pile électrique en 1800.
L’effet photovoltaïque, apparition d’une différence de potentiel entre deux matériaux semi-conducteurs dont la zone de contact est « éclairée », fut découvert, en 1839, par le physicien français A. BECQUEREL.
Si la première photopile a été développée aux USA par le laboratoire de BELL en 1954, il faut attendre les années 1970 pour voir le début de l’industrialisation dans des applications spatiales.
En ce début de XXI ème siècle, les développements du photovoltaïque s’accélèrent grâce à son statut d’énergie propre: pas d’émission de GES (Gaz à Effets de Serre, CO²…), pas de bruit, une fiabilité éprouvée (dûe à l’absence de pièces en mouvement).
Le protocole de Kyoto et la conscience écologique de bons nombres de pays se traduisent par un fort développement de cette technologie.

Principes et fonctionnement

La conversion de la lumière en électricité, appelée conversion photovoltaïque, se produit dans des matériaux semi-conducteurs. Le semi-conducteur le plus utilisé est disponible en très grande quantité sur terre : il s’agit du Silicium (Si) présent dans le sable sous forme de silice et de silicates.
Le photogénérateur est une tranche de silicium, prise en sandwich entre deux électrodes métalliques (positives et négatives) pour collecter le courant produit.
Pour attirer les électrons vers les électrodes, on utilise une force interne. Le dopage de la partie avant (type P) et arrière (type N) de la tranche de silicium permet, grâce à la différence de potentiel, d’obtenir une jonction qui entraîne le courant vers l’extérieur. La lumière devient ainsi électricité.

Le bilan énergétique d’un système photovoltaïque

Selon une étude publiée en avril 2006 conjointement réalisée par l'Agence International de l'énergie et la Fédération de l'Industrie Photovoltaïque Européenne (EPIA), l’analyse comparée du bilan énergétique de systèmes photovoltaïques dans le monde nous permet d’obtenir le nombre d’années pendant lequel un panneau photovoltaïque doit fonctionner pour remplacer l’énergie nécessaire à sa fabrication.

En fonction de la localisation géographique, en France, et la technologie retenue, il faut environ entre deux à quatre ans. On peut en conclure qu’un panneau va produire de l’électricité « verte » durant 85 à 90% de sa durée de vie totale.


	Paris		Lyon		Marseille
	Toiture	Façade	Toiture	Façade	Toiture	Façade
Production annuelle (kWh/kWc)	872	595	984	632	1.317	878
Temps de retour énergétique (en années)	2,9	4,3	2,6	4,0	1,9	2,9
(Source : "Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities." – Voir le lien : Brochure-indicateurs_26_pays.pdf)

Les différentes technologies

Il existe un grand nombre de techniques différentes, mais les principales mises en œuvre et commercialisées sont le silicium cristallin et le silicium amorphe ou encore appelé « couche mince ».

Le silicium cristallin existe en deux types de cellules :

les cellules monocristallines : les photopiles sont formées d’un seul cristal ordonné. Fabriqué en barreaux étirés à partir d’un germe, il peut aussi être recristallisé à haute température.
Les cellules poly (ou multi) cristallines, sont constituées de cristaux de 1mm à environ 2 cm assemblés. Moins onéreux à fabriquer, elles sont obtenues, dans de grands creusets industriels, à partir de blocs de silicium purifié fondus puis refroidis.

Sur ces « wafers » (plaquettes), différents traitements permettent l’incorporation des dopants, la mise en place d’un traitement anti-reflets et la mise en place des contacts métalliques.
Les photopiles sont assemblées en séries pour augmenter la tension, protégées par encapsulation (scellées par de la résine entre deux feuilles de verre). La photopile est , alors, opérationnelle.

Le silicium amorphe

La structure atomique du silicium est ici désordonnée. Dans ce cas, la capacité d’absorption est environ mille fois supérieure à celle du silicium cristallin. Une très fine couche de quelques microns suffit pour absorber l’essentiel du spectre visible.

Ces photogénérateurs sont donc capables de générer, à moindre coût, des tensions de 3, 6 ou 12V, et cela, même sur de petites surfaces.

Les rendements

Le rendement de panneaux solaires dépend de certaines variables, au nombre desquelles figurent la couverture nuageuse, le lieu géographique, le moment dans l’année, l’orientation et l’inclinaison de ceux-ci. Ensuite, le rendement différera en fonction de la technologie retenue.
La couverture nuageuse va influer directement sur l’éclairement (W/m²) ; on estime que par ciel totalement dégagé, et avec le soleil au zénith, l’éclairement sera de 1000W/m². C’est d’ailleurs avec ces paramètres qu’ont été normalisées les conditions de test des panneaux solaires, appelées Standard Test Conditions ou STC : rayonnement instantané de 1000W/m², un spectre solaire Air Mass (AM) et une température (T°) ambiante de respectivement1,5 et 25°.
Sous un ciel nuageux (altocumulus), l’éclairement baisse vers 100 à 500W/m².
Avec un ciel totalement couvert (stratus), l’éclairement atteint péniblement les 50W/m².

Mais il faut distinguer le rayonnement instantané (ou encore éclairement) en W/m², de l’énergie totale disponible sur une période donnée : on parle de watts heure par m² et par jour (Wh/m²-jour), obtenu en multipliant le rayonnement instantané par le temps.

L’orientation et l’inclinaison sont deux autres facteurs importants. Ils conditionnent la quantité de rayonnement solaire reçu. Le soleil se déplaçant en permanence, il faudrait que le panneau s’adapte à la position du soleil. De tels dispositifs existent, mais restent coûteux et fragiles.
Dans l’hémisphère nord, le soleil suit une trajectoire Est – Sud Ouest. On privilégiera une orientation vers le sud. L’inclinaison sera calée sur la hauteur du soleil lors des périodes les plus défavorables pour optimiser la récupération. En France, on retiendra la règle suivante : orientation Sud et inclinaison environ à 60° (Latitude du lieu + 10°).
Ces paramètres sont surtout valables pour les panneaux au silicium cristallin, car ceux au silicium amorphe peuvent très bien rester à l’horizontal, vu leur capacité à récupérer le rayonnement diffus.

(Pour plus d’informations sur la France, voir le site suivant : http://www.eupvplatform.org/fileadmin/Documents/Brochure-indicateurs_26_pays.pdf)

La puissance maximale dépend de l’éclairement. On parle de watts crête (Wc) ou encore de puissance crête pour exprimer la puissance maximale dans les conditions normalisées d’ensoleillement STC (1000W/m², 25°, spectre solaire AM1,5).
Le rendement d’un photogénérateur est le rapport entre la puissance électrique générée et la puissance lumineuse reçue. Il s’améliore avec le temps, en fonction des travaux de recherche.

Evolution des rendements des panneaux PV en %



+ zoom

Si le silicium cristallin et le silicium amorphe représentent 90% du marché mondial des panneaux photovoltaïques, d’autres matériaux semi-conducteurs existent :

Silicium monocristallin
Matériau le plus répandu, bon rendement à fort et moyen éclairement.
Rendement électrique : 15% STC
Puissance des panneaux : 5 à 300Wc
Gamme d’éclairement : 100 à 1000W/m².

Silicium poly (multi) cristallin
Un peu moins performant aux éclairements modérés, il est aussi moins onéreux
Rendement électrique : 12 à 14% STC
Puissance des panneaux : 5 à 300Wc
Gamme d’éclairement : 200 à 1000W/m².

Silicium non cristallisé, à l’état amorphe
Beaucoup moins puissant que les deux précédents, il permet une utilisation sous tous types d’éclairements, en intérieur comme en extérieur.
Rendement électrique : 5 à 9% STC
Puissance des panneaux : 0,5 à 60Wc
Gamme d’éclairement : 20 lux (en intérieur) à 1000W/m².

Il existe d’autres matériaux, comme l’Arséniure de Gallium utilisé pour les satellites ou encore des alliages à base de séléniure de cuivre indium (CuInSe2) étudiés par Boeing peu développés du fait de la présence de Cadmium, matériau dangereux.