/// Fonctionnement

1. Principe

Le solaire photovoltaïque est une technologie permettant la transformation directe du rayonnement lumineux en électricité.

Les cellules photovoltaïques sont constituées d’un matériau semi-conducteur qui, sous l’excitation lumineuse, émet un électron et génère ainsi une tension électrique ; le courant obtenu est un courant continu.

Le matériau semi-conducteur est pour les technologies les plus courantes, constitué de silicium. Chacune de ses faces est « dopée », par l’introduction d’atomes aux propriétés électriques différentes du silicium. Ainsi, la face supérieure est dopée « P » (en général, des atomes de Phosphore), la face inférieure est dopée « N » (en général, des atomes de Bore). Les dopants type « P » possèdent des électrons en excédent par rapport aux atomes de Silicium, et les dopants type « N » des électrons inférieurs à ceux du Silicium ; ce sont ces atomes qui vont respectivement émettre et accueillir des électrons, permettant ainsi la circulation du courant électrique.
 

Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque au silicium

 

2. Production électrique

La puissance d’un module photovoltaïque est exprimée en « Watt crête » (Wc), qui signifie la puissance maximale délivrée sous un ensoleillement standardisé de 1000 W/m2 à 25°C.

La production est mesurée en kilo Watt heure (kWh) ; pour une puissance donnée, la production annuelle dépendra de l’inclinaison du module (inclinaison optimale de 30 à 35° environ en France), de son orientation (le sud est optimal), de sa latitude, altitude, etc. (cf. tableau).
Pour 1 kWc installé, la production annuelle oscille entre 800 kWh/an dans le Nord, et 1300 kWh/an dans le Sud, et ceci à 30° d’inclinaison et en orientation sud (cf. carte).

Le rendement d’une cellule correspond à la fraction de l’énergie lumineuse transformée en électricité. Pour un ensoleillement standardisé de 1000 W/m2 à 25°C, un rendement de 15% signifie donc que la cellule fournira 150 Wc par m2. Le rendement d’une cellule est une propriété intrinsèque de la cellule, lié à sa technologie. Il ne dépend pas de l’inclinaison du module ni de la latitude. Il peut cependant varier légèrement selon la longueur d’onde de l’ensoleillement, et donc selon la nature de la lumière.
Les rendements photovoltaïques varient sensiblement selon la technologie utilisée : de 5% à 15, voire 17% pour certaines technologies.

Indice de production photovoltaïque
en fonction de l’inclinaison et l’orientation des modules
(indice 100 = 30° plein sud)


Ensoleillement moyen annuel en France

Un système photovoltaïque raccordé au réseau est constitué de panneaux interconnectés entre eux, reliés à un onduleur qui transforme le courant continu produit par les panneaux en courant alternatif, avant d’ être injecté au réseau (poste de livraison).

3. Technologies

On distingue plusieurs technologies photovoltaïques (cf. tableau) : les plus anciennes et les plus éprouvées sont constituées de silicium, d’autres technologies sont en développement et pour certaines d’entre elles au stade de la fabrication industrielle : CIS (Cuivre Indium Sélénium), CIGS (Cuivre Indium Gallium Sélénium), CdTe (Tellure de Cadmium), TiO2 (Dioxyde de Titane, encore au stade de développement).

Le silicium cristallin, obtenu à partir de la cristallisation du silicium métallurgique lors de son refroidissement dans le four, existe sous deux formes : le monocristallin (un seul bloc de cristal) qui procure les meilleurs rendements (de 13 à 15%), et le poly-cristallin (composé de plusieurs cristaux), moins cher, mais aux rendements légèrement moins bons (10 à 13%).

Le silicium amorphe procure quant à lui des rendements nettement inférieurs, de 5 à 9% environ. Cette technologie qui alimente notamment les calculatrices ou les petites lampes de jardin, a la particularité de fonctionner avec un ensoleillement faible et diffus : le faible rendement est ainsi en partie compensé par la production annuelle par Watt. Enfin, si le silicium amorphe est moins stable que le silicium cristallin, il présente l’ avantage d’une mise en œuvre sur membranes souples (au contraire du cristallin qui est nécessairement rigide), qui font alors faire office d’étanchéité notamment en toitures terrasse.