Un panneau solaire photovoltaïque est un équipement électronique composé de plusieurs dizaines de cellules semi-conductrices qui utilise le rayonnement solaire pour produire de l’électricité. Lorsque la lumière du soleil frappe les cellules du panneau, ses photons sont absorbés par le matériau semi-conducteur de la cellule et un courant électrique est généré.
Étant donné que les cellules individuelles ne produisent que très peu d’énergie, les cellules sont assemblées en série et en parallèle pour former un panneau. Les connections en série augmentent la tension pour un même courant alors que les connections en parallèle augmentent le courant pour une même tension. Sachant que la puissance est le produit du courant par la tension, la puissance d’un panneau est proportionnelle à la quantité de cellules qu’il contient. Plus un panneau solaire est puissant, plus grande est la quantité d’énergie qu’il peut produire. De manière générale, les panneaux solaires comportent de 60 à 72 cellules, quoique certains panneaux ont jusqu’à 144 cellules.
Il existe trois types de cellules photovoltaïques : les cellules amorphes, les cellules monocristallines et les cellules polycristallines. L’image ci-dessous montre ces trois différents types de cellules (amorphe à gauche, monocristallin au centre et polycristallin à droite).
Les différences au niveau du rendement s’expliquent principalement par le niveau de pureté cristalline des cellules. Plus une cellule a un niveau de pureté élevé, meilleure est son interaction avec le rayonnement solaire et donc son rendement. L’épaisseur de la cellule a aussi un impact sur le rendement, ce dernier étant proportionnel à l’épaisseur de la cellule.
La très grande majorité des cellules photovoltaïques sont fabriquées à base de silicium. Ce composant est utilisé grâce à son faible coût d’extraction ainsi que ses propriétés semi-conductrices. Le silicium n’existe pas à l’état libre, mais plutôt sous différentes formes de minéraux tels que le sable ou le quartz. Il est très abondant, pour ne pas dire presqu’illimitée.
L’extraction du silicium du quartz est effectuée par carboréduction, soit l’extraction de métaux de leurs oxydes en présence de coke sous très haute température dans four à arc électrique. Les très hautes températures (allant jusqu’à 2000°C) permettent à certaines réactions chimiques d’avoir lieu, notamment la réduction de la silice (SiO2 + C ⟶ Si + CO2) et l’élimination de l’oxygène.
Le silicium obtenu à partir de ce procédé est de qualité métallurgique, soit pur à 99.99 %. C’est lorsqu’il aura atteint cette purété qu’il sera utilisé pour l’élaboration de cellules photovoltaïques. Cela dit, le tableau ci-dessous montre les éléments et leur quantité nécessaire pour produire une tonne de sillicium.
Élément | Quantité nécessaire (kg) |
Quartz | 2900 |
Coke de pétrole | 740 |
Charbon bitumineux | 590 |
Copeaux de bois | 1580 |
Énergie électrique (kWh) | 12 000 |
Le tableau ci-dessous de l’USGS (United States Geological Survey) montre quant à lui les dix principaux producteurs de silicium en 2017.
Pays | Production annuelle (milliers de tonnes) |
États-Unis | 700 |
République Tchèque | 450 |
Danemark | 440 |
Chine | 420 |
Argentine | 200 |
Pérou | 120 |
Japon | 100 |
Mexique | 90 |
Corée du Sud | 70 |
Russie | 70 |
1. Tirage du lingot : La première étape de fabrication d’un panneau solaire consiste à produire des lingots de silicium purs à 99.99 %. Pour ce faire, le silicium est cuit dans un four à arc électrique à une température pendant plusieurs heures.
2. Sciage du lingot : Une fois refroidis, les lingots sont coupés en tranches, qui ont l’épaisseur d’une feuille de papier. Ces tranches sont communément appelés « wafers ». Les wafers reçoivent ensuite un traitement anti-reflet afin de limiter la quantité de lumières qu’ils réfléchissent (et par le fait même la quantité de lumière qu’ils absorbent).
3. Diffusion du phosphore : Pour que le wafer devienne une cellule photovoltaïque, des impuretés doivent être ajoutées. Ces impuretés sont ainsi appelées parce qu’elles acceptent ou donnent un électron pour se lier avec le semi-conducteur des cellules (le sillicium) et ainsi générer du courant.
Sur la couche supérieure de la cellule, l’impureté ajoutée est un élément qui possède plus d’électrons que le silicium (généralement du Phosphore). Cette couche est de type N et est chargée négativement.
Surla couche inférieure de la cellule, l’impureté ajoutée est un élément qui possède moins d’électrons que le silicium (généralement du Bore). Cette couche est de type P et est chargée positivement.
Pour qu’il y ait conduction, une jonction PN doit être crée. Une fois la jonction crée, le wafer est une cellule photovoltaïque, avec une face négative et une autre face positive.
4. Métallisation par sérigraphie : Une pâte à base d’argent est imprimée avant d’être recuite à haute température à la surface des cellules photovoltaïques, le but étant de pouvoir recueillir le courant électrique qu’elles produisent.
5. Interconnections des chapelets : L’ensemble des cellules du panneau solaire sont soudées les unes les autres, en série ou en parallèle.
6. L’encapsulation : Les cellules du panneau solaire sont encapsulées entre une feuille de verre et un polymère pour les protéger des rayons U.V, de l’humidité et pour les isoler électriquement.
7. L’encadrement : Cette étape consiste à encadrer le panneau solaire dans un cadre fait en aluminium afin de lui donner une rigidité mécanique. Le choix de l’aluminium se justifie par son faible poids, son prix bon marché et sa robustesse. Le module est finalement soumis à des tests mécaniques, optiques et électriques avant d’être mis sur le marché.
Pour résumé, les panneaux solaires monocristallins ont des cellules solaires fabriquées à partir d’un seul cristal de silicium alors que les panneaux solaires polycristallins ont des cellules solaires fabriquées à partir de plusieurs fragments de cristaux de silicium fondus ensemble. Les panneaux solaires amorphes quant à eux sont composés d’une fine couche de silicium sur un matériau amorphe.
Cette différence de fabrication fait en sorte que la réponse spectrale des panneaux solaires monocristallins est la plus élevée, ce qui leur procure un meilleur rendement. Bien qu’ils soient plus dispendieux, le fait qu’ils puissent produire plus d’énergie contrebalance leur surcout, surtout sachant que leur durée de vie est d’au moins 25 ans. De plus, leur couleur noire est plus discrète et s’agence mieux avec un toit en bardeaux conventionnel. Bref, les panneaux solaires monocristallins sont définitivement le meilleur type de panneau solaire. Néanmoins, pour ceux ayant un budget plus limité, les panneaux solaires polycristallins sont tout de même un bon choix.
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