Le solaire photovoltaïque

On estime qu’aux latitudes de la France soit environ 45° l’énergie potentiellement utilisable du soleil est de par an 1500kwh/m².

Voir la carte d’ensoillement francaise et l’irradiation solaire DNI de la France.

Avec les rendements actuels soit environ 10 à 15% on obtient de 150 à 225kwh/m².an.

Panneaux solaires dits « non intégrés ».

Principe de fonctionnement du photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est composée de matériaux semi-conducteurs. Ceux-ci sont capable de transformer l’énergie fournit par le soleil en charge électrique donc en electricité car la lumière du soleil excite les électrons de ces matériaux. La courbe d’absorption de ces matériaux débute des faibles longueurs d’ondes jusqu’à une longueur d’onde limite qui est 1,1 micromètres pour le silicium.

Le silicium est le principal composant d’une cellule photovoltaïque.

Physique d’une cellule photo-electrique (tiré du site du CEA)

Schéma de fonctionnement d’une cellule photo-électrique.

Le silicium a été choisi pour réaliser les cellules solaires photovoltaïques pour ses propriétés électroniques, caractérisées par la présence de quatre électrons sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de Mendeleiev). Dans le silicium solide, chaque atome est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche périphérique participent aux liaisons. Si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne V (phosphore par exemple), un des électrons ne participe pas aux liaisons ; il peut donc se déplacer dans le réseau. Il y a conduction par un électron, et le semiconducteur est dit dopé de type n. Si au contraire un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne III (bore par exemple), il manque un électron pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut venir combler ce manque. On dit alors qu’il y a conduction par un trou, et le semiconducteur est dit dopé de type p. Les atomes tels que le bore ou le phosphore sont des dopants du silicium.

Lorsqu’un semiconducteur de type n est mis en contact avec un semiconducteur de type p, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p devient chargée négativement. Il se crée donc un champ électrique entre les zones n et p, qui tend à repousser les électrons dans la zone n et un équilibre s’établit. Une jonction a été créée, et en ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, c’est une diode qui est obtenue.
Lorsque cette diode est éclairée, les photons sont absorbés par le matériau et chaque photon donne naissance à un électron et un trou (on parle de paire électron-trou). La jonction de la diode sépare les électrons et les trous, donnant naissance à une différence de potentiel entre les contacts n et p, et un courant circule si une résistance est placée entre les contacts de la diode (figure).

Technologies disponibles sur le marché.

Les modules actuels se distinguent en fonction du type de silicium qu’ils utilisent :

• silicium monocristalin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
• silicium polycristalin : Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium, moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristalin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
• silicium amorphe: les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale.

Les constructeurs de cellules.

Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60% du marché mondial. Il s’agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises américaines BP Solar et Astropower, et de l’allemande RWE Schott Solar. Le Japon produit près de la moitié des cellules photovoltaïques du monde.

Applications de l’énergie électrique solaire

Actuellement les principaux domaines d’utilisation sont les habitations isolées mais aussi pour des appareils scientifiques tels que des sismographes.

Le premier domaine à avoir utilisé cette énergie est le domaine spatial. En effet, quasiement toute l’énergie électrique des satellites est fournie par le photovoltaïque (certains satellites auraient des petits moteurs stirling).

Avantages

• Energie électrique non polluante à l’utilisation et s’inscrit dans le principe de développement durable,
• Source d’énergie renouvelable car inépuisable à l’échelle humaine,
• Utilisables soit dans les pays en voie de développement sans réseau électrique important soit dans des sites isolés tels qu’en montagne où il n’est pas possible de se raccorder au réseau électrique national.

Exemple d’alimentation en site isolé, un sismographe alimenté par panneau photovoltaique du volcan de la soufrière en Guadeloupe.

Inconvénients

• Coût du photovoltaïque est élevé car il est issu de la haute technologie,
• coût dépend de la puissance de crête, le coût actuel du watt crête est d’environ 3,5€ soit environ 550€/m² de cellules solaires,
• le rendement actuel des cellules photovoltaïques reste assez faible (environ 10% pour le grand public) et donc ne délivre qu’une faible puissance,
• marché trés limité mais en développement
• production d’électricité ne se fait que le jour alors que la plus forte demande se fait la nuit,
• le stockage de l’électricité est quelque chose de très difficile avec les technologies actuelles (coût econologique des batteries trés élevé),
• durée de vie : 20 à 25 ans, après le silicium « cristalise » et rend inutilisable la cellule,
• pollution à la fabrication : certaines études prétendent que l’énergie utilisée pour la fabrication des cellules n’est jamais rentabilisée durant les 20 années de production,
• de même en fin de vie : le recyclage des cellules pose des problèmes environnementaux.

En savoir plus:
– Bilan énergétique du solaire photovoltaïque
– Carte du gisement solaire français
– Les systèmes solaires photovoltaïques intégrés au batiment (document du CEA)