Énergie et panneaux solaires – comment ça fonctionne ?

Nous savons tous que les panneaux solaires photovoltaïques transforment la lumière du soleil en électricité utilisable, mais peu de gens connaissent les phénomènes physiques qui se produisent derrière ce processus.

Dans cet article, nous allons entrer dans les détails scientifiques qui se cachent derrière le solaire. Cela peut paraître compliqué, mais tout se résume à l’effet photovoltaïque ; la capacité de la matière à émettre des électrons lorsqu’elle est baignée de lumière.

Avant d’en arriver au niveau moléculaire, examinons plus généralement les principales étapes de la production et de la transmission d’énergie solaire :

Les principales étapes de la production et de la transmission de l’énergie solaire

1. La lumière du soleil touche les panneaux solaires et crée un champ électrique à l’aide des cellules photovoltaïques.
2. L’électricité générée s’écoule vers le bord du panneau, puis dans un fil conducteur.
3. Le fil conducteur achemine l’électricité qui est en courant continu vers l’onduleur / convertisseur, où elle est transformée en courant alternatif, qui est utilisée pour alimenter les bâtiments. Dans une installation autonome en énergie, le courant continu des panneaux solaires peut être acheminé directement vers des batteries solaires pour le stocker.
4. Un autre fil transporte l’électricité CA (en courant alternatif) de l’onduleur au panneau électrique de la propriété (également appelé boîtier de disjoncteurs), qui distribue l’électricité dans tout le bâtiment selon les besoins.
5. En autoconsommation, toute l’électricité qui n’est pas utilisée dans le foyer (le surplus) passe par le compteur électrique et rejoint le réseau électrique ou elle est revendue. Au fur et à mesure que l’électricité passe par le compteur, celui-ci tourne à l’envers, permettant ainsi de déduire le surplus de production de votre propriété. Une option consiste aussi à revendre toute l’énergie produite sans l’utiliser à un fournisseur d’électricité.

Maintenant que nous avons une idée de base de la production et de l’utilisation de l’électricité solaire, plongeons plus profondément dans la technologie des panneaux solaires photovoltaïques.

Comment fonctionnent un panneau solaire ou plus exactement les cellules photovoltaïques ?

Les panneaux solaires photovoltaïques sont composés d’un ensemble de petites cellules photovoltaïques (de 36 à 120 par panneau), pouvant convertir la lumière du soleil en électricité. Ces cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs, le plus souvent du silicium, un matériau qui peut être conducteur d’électricité tout en maintenant un certain déséquilibre électrique nécessaire à la création d’un champ électrique.

Lorsque la lumière du soleil frappe le semi-conducteur de la cellule solaire photovoltaïque (étape 1 du processus de production), l’énergie de la lumière, sous forme de photons, est absorbée, ce qui libère un certain nombre d’électrons, qui dérivent ensuite librement dans la cellule. La cellule solaire est spécifiquement conçue avec des semi-conducteurs chargés positivement et négativement pris en sandwich pour créer un champ électrique (voir le schéma). Ce champ électrique oblige les électrons à la dérive à circuler dans une certaine direction, vers les plaques métalliques conductrices qui bordent la cellule.

Ce flux est connu sous le nom de courant énergétique, et la force du courant détermine la quantité d’électricité que chaque cellule peut produire. Une fois que les électrons libres ont atteint les plaques métalliques, le courant est ensuite dirigé vers les fils, permettant aux électrons de circuler comme ils le feraient dans n’importe quelles autres sources de production d’électricité (étape 2 de notre processus). Voir cette vidéo pour plus de précisions.

Les différents types de cellules solaires au silicium

Les cellules solaires de type monocristallins

Les cellules monocristallines sont facilement identifiables par leur couleur noire foncée. Elles sont fabriquées à partir d’un type de silicium très pur, ce qui en fait le matériau le plus efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité. La grande pureté du silicium fait que ce type de panneau solaire a l’un des taux d’ efficacité les plus élevés, les plus récents sont supérieurs à 20 % .

Par ailleurs, les cellules solaires monocristallines sont également les plus efficaces en termes d’espace. Un autre avantage est qu’elles sont le meilleur choix pour la durée de vie – de nombreux fabricants offrent des garanties allant jusqu’à 25 ans sur ces types de systèmes photovoltaïques.

Tous ces avantages supérieurs s’accompagnent d’un prix plus élevé. En fait, les cellules monocristallines sont l’option la plus chère, principalement parce que le processus de découpe sur quatre côtés entraîne le gaspillage de beaucoup de silicium, parfois plus de la moitié. Les alternatives les moins chères pour les consommateurs sont les cellules polycristallines ou amorphes.

Comparaison cellule solaire monocristalline contre cellule polycristalline

Les cellules solaires de type polycristallin

Les cellules solaires polycristallines, également connues sous le nom de cellules polysilicium et multisilicium, ont été les premières cellules solaires présentées à l’industrie, au début des années 1980. Les cellules polycristallines ne subissent pas un processus de découpe exigeant comme celui utilisé pour les cellules monocristallines. Au lieu de cela, le silicium est fondu et versé dans un moule carré, d’où la forme carrée de polycristallin.

Cela rend les cellules solaires polycristallines beaucoup plus abordables, car pratiquement aucun silicium n’est gaspillé au cours du processus de fabrication. En revanche, elles sont moins efficaces (environ 15% de taux d’efficacité) et nécessitent plus d’espace que les cellules monocristallines, car le niveau de pureté est plus faible dans ces cellules.

Un autre inconvénient est une tolérance à la chaleur plus faible que le type monocristallins, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas fonctionner aussi efficacement à des températures trop élevées.

Les cellules solaires amorphes

Les cellules de type amorphes sont très fines, parfois flexibles et généralement de couleur marron ou gris foncé

Le mot « amorphe » signifie littéralement « sans forme ». Le silicium n’est pas structuré ou cristallisé au niveau moléculaire comme le sont de nombreux autres types de cellules solaires à base de silicium. Dans le passé, les cellules solaires amorphes étaient utilisées pour des applications à petite échelle, comme les calculatrices de poche, car leur puissance était relativement faible. Elles sont aussi moins sensibles aux températures élevées que les cellules solaires cristallines et sont une source d’alimentation stable même dans des conditions de lumière faible ou artificielle.

Toutefois, en empilant plusieurs cellules solaires amorphes les unes sur les autres, leur rendement augmentait considérablement (jusqu’à 8 %). Les panneaux solaires en silicium amorphe constituent une gamme puissante et émergente de systèmes photovoltaïques qui diffèrent des cellules en silicium cristallin en termes de rendement, de structure et de fabrication. Les coûts des matériaux sont réduits puisque le silicium amorphe ne nécessite qu’environ 1 % du silicium qui aurait été utilisé pour produire une cellule solaire à base de silicium cristallin.

Ces cellules solaires sont disponibles en verre traditionnel ainsi qu’en acier inoxydable avancé et sous forme de film flexible. Le processus de développement des panneaux solaires en silicium amorphe les a rendus plus flexibles et légers, ce qui rend le transport et l’installation des panneaux moins risqués. Grâce à un module flexible à couche mince, les cellules solaires amorphes conviennent même aux surfaces courbes.

L’un des inconvénients est le taux d’efficacité plus faible des cellules solaires amorphes à couche mince (moins de 8%). Toutefois, cette technologie est récente et les taux d’efficacité devraient augmenter grâce aux avancées technologiques dans un avenir proche.

Quels sont les principaux avantages de l’énergie solaire ?

• Les panneaux peuvent être installés dans un large éventail d’endroits. Qu’il s’agisse de grandes fermes solaires en pleine campagne, qui peuvent favoriser la biodiversité locale en offrant un habitat intact aux abeilles, aux papillons et aux oiseaux nicheurs, ou de panneaux installés sur les toits des centres-villes, qui peuvent contribuer à lutter contre la précarité énergétique. L’énergie solaire est même utilisée dans l’espace ou sur mars.
• Elle ne génère aucune pollution sonore pendant la production d’électricité. Cela signifie que les installations ne sont pas gênantes, qu’elles soient situées dans des zones urbaines très fréquentées ou dans des zones rurales tranquilles.
• C’est une source d’énergie très sûre. Elle est principalement fabriquée à partir de feuilles de silicium et il n’y a aucun risque que les cellules photovoltaïques fuient ou émettent des toxines ou des fumées.
• L’énergie solaire se stocke assez facilement dans des batteries de type gel, AGM et même lithium. Il existe des groupes électrogènes solaires très pratiques qui permettent de stocker cette énergie et de l’utiliser pour un grand nombre d’utilisations (secours, camping, recharge de petits appareils…)

Quels sont les inconvénients de l’énergie solaire ?

Les deux principaux inconvénients de l’énergie solaire sont ses coûts initiaux élevés et son intermittence. Si l’investissement dans les énergies renouvelables est rentable à long terme, cette technologie est généralement plus coûteuse que les générateurs d’énergie traditionnels en termes d’installation. Heureusement, il existe des incitations financières, telles que des crédits d’impôt et des remises, qui permettent d’alléger la charge initiale.

De plus, l’intermittence peut être un problème ; les ressources énergétiques renouvelables ne sont pas disponibles 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, toute l’année. Par exemple, les panneaux solaires ne produisent plus du tout d’électricité la nuit et beaucoup moins par temps couvert. Certains phénomènes météorologiques imprévisibles peuvent avoir un impact sur l’efficacité des panneaux solaires, mais vous pouvez envisager d’utiliser un ensemble de batteries comme solution de stockage de l’énergie.