L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel. Lorsque les photons issus du rayonnement solaire entrent en contact avec les cellules photovoltaïques, des électrons sont arrachés et se mettent en mouvement. Ils polarisent ainsi les cellules, constituées d'un matériau semi-conducteur. 90% des cellules photovoltaïques du marché sont constituées de silicium cristallin mais il existe d'autres technologies de cellules (couches minces, matériaux organiques).
A l'instar d'une pile, un courant continu est ainsi généré, avec une tension de l'ordre de 0.6V. En mettant ces cellules (en général une soixantaine) bout à bout au sein d'un panneau photovoltaïque, on obtient une tension plus élevée (12 ou 24V). Mis à leur tour bout à bout, les panneaux photovoltaïques constituent une installation photovoltaïque, qui peut être implantée au sol ou sur un bâtiment.
Les panneaux sont reliés à un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif, injectable sur le réseau électrique.
La fabrication
La fabrication des panneaux en silicium cristallin passe par différentes étapes : le silicium est d'abord purifié, puis enrichi pour être semi-conducteur. La cuisson au four le transforme en lingots qui sont ensuite découpés en plaques (dites "wafers"). Après traitement et ajout de phosphore la plaque devient une cellule photovoltaïque polarisée. Reste à assembler les différentes cellules ensemble pour constituer un panneau photovoltaïque.
La durée de vie
La performance électrique des panneaux décroît très progressivement et la plupart des fabricants assure une puissance de 80% de la puissance initiale au bout de 25 ans. Il existe par ailleurs plusieurs installations encore en service dont la durée de vie a dépassé 30 voire 40 ans (exemple de la centrale Phebus). Un vieillissement précoce des modules peut cependant être observé dans les premières années en cas de défaut présent au sein du module (dégradation de l'anti-reflet, délamination, défaut des diodes, etc.).
Le recyclage
Depuis 2012 les fabricants ont l'obligation de prendre en charge la collecte et le recyclage des modules photovoltaïques (qui sont considérés comme des Déchets d’Équipements Électriques et Électroniques). Les fabricants se sont regroupés au sein de l'organisme PV CYCLE pour gérer cette prise en charge (via une éco-participation versée par chaque fabricant). C'est la société SOREN qui est missionnée pour la collecte et le traitement des panneaux photovoltaïques en France. Une cinquantaine de points de collecte sont implantés en France.
SOREN indique que les matériaux composants les panneaux photovoltaïques à base de sillicium cristallin avec un cadre en aluminium sont valorisés à 94% par le procédé de recyclage. La répartition des matériaux composant les panneaux est présentée dans l'infographie ci-contre.
En savoir plus sur le recyclage des panneaux photovoltaïques :
> Dossier du site Décrypter l'énergie dédié au recyclage des panneaux photovoltaïques
La puissance nominale que peut délivrer un panneau photovoltaïque dans des conditions standard d'exposition (ensoleillement de 1000W/m2, température de 25°) est appelée puissance crête. Il s'agit d'une puissance maximale (rarement atteinte en pratique) qui permet de comparer différents modules entre eux.
Les panneaux les plus standard du marché ont
- une puissance crête comprise entre 400 et 500 Wc.
- une surface de l'ordre de 2 m2 (1m x 2 m)
On peut ainsi définir un ratio moyen de puissance surfacique de l'ordre de 200 Wc/m2, qui correspond à un rendement maximum du panneau de 20% (200W délivrés sous un ensoleillement de 1000W). Ces ratios varient beaucoup selon la typologie du panneau (consulter les fiches produits des fabricants), il s'agit uniquement d'ordres de grandeur moyens. Autrement formulé, on peut considérer une
- surface moyenne de panneau de 5 m2 / kWc
- soit environ 180 m² "utiles" pour 36 kWc et 500 m2 pour 100 kWc.
L'énergie produite s'exprime en kilowatt-heure (kWh). 1 kWh est l'énergie produite par un équipement qui délivre une puissance de 1 kW pendant 1 heure. L'énergie dépend donc de la puissance fournie et de la durée de fonctionnement. Dans le cas du photovoltaïque, elle dépend donc de l'ensoleillement (qui fait varier la puissance) et des durées d'ensoleillement (variables selon la météo, les périodes jour/nuit et les saisons).
Le productible d'une installation solaire, qui correspond à l'énergie moyenne produite sur une année complète, peut être estimé en fonction de la localisation (à partir des données d'ensoleillement moyennes connues pour cette latitude et cette longitude). Il est souvent ramené à la puissance crête pour pouvoir faciliter les comparaisons : le productible est exprimé en kWh/kWc. En France il peut aller de 900 kWh/kWc (nord du pays) à 1400 kWh/kWc (sud du pays) environ.