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Les panneaux photovoltaïques, que l’on nomme aussi modules, sont composés de cellules de silicium cristallin, un semi-conducteur permettant de convertir l’énergie solaire en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
Selon le processus de fabrication du silicium cristallin, les cellules photovoltaïques sont monocristallines ou polycristallines. Voici quelques explications pour les distinguer.
1. Les panneaux/cellules photovoltaïques : les différentes technologies
♦ L’utilisation d’un semi-conducteur est nécessaire pour permettre aux cellules de transformer le rayonnement solaire en énergie électrique grâce à l’effet photovoltaïque. Le choix du semi-conducteur dépend de la technologie utilisée, elles sont diverses et sont classées par générations.
✦ Les cellules photovoltaïques cristallines
❖ La technologie à base de silicium cristallin correspond aux cellules de 1ère génération, ces cellules sont composées d’un unique matériau semi-conducteur de grande pureté : le silicium sous forme cristalline.
❖ Le silicium est le matériau privilégié dans la fabrication des cellules photovoltaïques en raison de ses propriétés et de ses atouts en termes de rendement, robustesse et durabilité.
❖ Selon le procédé de fabrication et la méthode de cristallisation utilisée on obtient du silicium monocristallin (un seul cristal de très grande pureté) ou du silicium multicristallin (plusieurs cristaux, les cellules sont dites polycristallines). La configuration cristalline influe notamment sur la conductivité et, de facto, sur le rendement et les performances.
➠ Le silicium polycristallin. Les modules ont un rendement de 15 à 18 % en moyenne. Le silicium polycristallin représente environ 14% du marché mondial des modules photovoltaïques
➠ Le silicium monocristallin. Les modules ont un rendement entre 18 et 22 % en moyenne. Le silicium monocristallin représente plus de 82 % du marché mondial des modules photovoltaïques. La demande n’a cessé de croitre ces dernières années. La technologie monocristalline domine désormais largement le marché des modules cristallins (environ 85%).
❖ Les modules de silicium cristallin sont très majoritairement utilisés pour les installations photovoltaïques sur bâtiments ou au sol en raison de leur rendement, leur fiabilité et leur durée de vie. Ils représentent 95% du marché mondial des modules photovoltaïques.
➥ Voir article : Processus de fabrication d’un panneau photovoltaïque cristallin et des cellules de silicium
✦ Les cellules photovoltaïques en « couches minces »
❖ Les cellules à base de couches minces correspondent à la technologie photovoltaïque de 2ème génération. Les cellules sont constituées de très fines couches d’un matériau semi-conducteur dont l’épaisseur n’excède pas plus de quelques microns.
❖ On distingue notamment les cellules en couches minces de silicium amorphe hydrogéné, de tellurure de cadmium (CdTe) et de cuivre Indium gallium et sélénium (CIS ou CIGS).
❖ Ces technologies en couches minces représentent environ 4% du marché.
❖ Les cellules en couches minces citées ont, entre autres, l’avantage d’être moins couteuses que les cellules de 1ère génération, leur fabrication est moins énergivore et elle nécessite peu de matériau semi-conducteur. En revanche leur rendement global est plus faible (entre 6-7% et 13% selon le type de cellule en couches minces) et leur durabilité est moins longue.
❖ Les cellules en couches minces d’Arséniure de Gallium (Ga-As) ont le rendement le plus élevé, elles peuvent atteindre un taux de conversion de 30%, et un taux de plus de 40 % si elles sont associées à la technologie à concentration (lentilles optiques ou miroirs). Leur coût est très élevé, cette technologie est principalement réservée aux applications spatiales.
✦ Les cellules 3e génération
❖ Les cellules de 3e génération sont issues de diverses technologies, elles font l’objet de nombreuses études et recherches. Elles sont très peu utilisées pour les installations photovoltaïques. Certaines technologies sont toutefois prometteuses.
❖ Pour plus d’informations sur les diverses technologies, vous pouvez consulter l’article dédié.
➥ voir article Le solaire photovoltaïque : perspectives d’améliorations, innovations et technologies d’avenir
➥ Source utile International Energy Agency : https://iea-pvps.org/trends_reports/trends-in-pv-applications-2021/
2. Les panneaux/cellules photovoltaïques de silicium cristallin : comparaisons entre le monocristallin et le polycristallin
♦ Outre les différences de rendements, les comparaisons sont d’ordres divers.
✦ Esthétique
❖ Les cellules monocristallines sont constituées de silicium issu d’un seul cristal de silicium en deux couches. La structure parfaitement homogène du cristal de silicium leur confère une teinte monochrome bleue très foncée ou noire.
❖ L’allure uniforme et la possibilité d’utiliser des modules entièrement noirs (dits full black) peuvent être un critère esthétique.
❖ Les cellules polycristallines sont composées à partir de plusieurs cristaux de silicium, différentes les unes des autres et de tailles variées ce qui explique un rendu non homogène et un fini bleuté.
✦ Rendement et performances
❖ Le rendement d’un module photovoltaïque correspond à la proportion d’énergie solaire convertie en électricité. L’énergie qui n’est pas transformée en électricité est dissipée dans l’air sous forme de chaleur (ce qui représente environ 4/5e de l’énergie). Si un module affiche un rendement de 20% alors cela signifie que 20 % des rayons solaires sont convertis et productifs en électricité.
❖ Les modules monocristallins ont en général un rendement de conversion plus élevé, ce rendement supérieur à celui des modules polycristallins est lié à la composition plus pure du silicium monocristallin et à ses qualités conductrices accrues. Ce rendement supérieur induit des performances et une capacité de production plus élevées.
❖ Ainsi, à surface égale, une installation composée de modules monocristallins a une capacité de production supérieure à celle obtenue avec des modules polycristallins. De même, pour une production égale, une installation exigera moins de modules monocristallins. La technologie monocristalline est par conséquent particulièrement adaptée aux surfaces de pose limitées, notamment pour les installations en toiture.
❖ Les modules monocristallins offrent de meilleures performances par faible ensoleillement, qu’il s’agisse de lumière diffuse par temps nuageux, ou de la lumière moindre tôt le matin et tard le soir avec un soleil rasant. La plage horaire de conversion d’énergie est donc légèrement plus étendue.
✦ Influence des températures extérieures
❖ Les cellules photovoltaïques sont toutes sensibles aux fortes hausses de température qui peuvent affecter et altérer leur rendement. Il est usuel de lire que les modules polycristallins sont moins sensibles aux fortes températures, toutefois à l’heure actuelle les performances ont beaucoup évolué et si les températures sont effectivement à considérer pour tel type d’installation, il suffit alors de s’appuyer sur les coefficients de température qui sont indiqués pour chaque modèle qu’il s’agisse de modules monocristallins ou polycristallins.
❖ Par ailleurs il est à noter que les différences de températures entre le nord et le sud de la France, ne sont pas suffisamment significatives pour que cela influe réellement sur le rendement des modules monocristallins ou polycristallins.
✦ Le prix
❖ Le processus de fabrication et d’élaboration du silicium monocristallin est plus complexe et plus long que celui utilisé pour du polycristallin, le coût de production et le prix marché sont donc plus élevés.
❖ Néanmoins le rendement et la puissance de modules monocristallins étant plus élevés, le surcoût à l’achat peut rapidement être rentabilisé par la production plus importante.
❖ Aujourd’hui, la plupart des modules produits sont monocristallins, le prix n’est plus, pour ainsi, dire un sujet d’actualité…
✦ Durée de vie
❖ La durée de vie des modules monocristallins est très élevée, elle est estimée entre 30 et 40 ans. La longévité des modules polycristallins est sensiblement identique. Il est couramment affirmé que leur durée de vie est moindre mais rien n’a été réellement avéré. Si les modules cristallins produisent moins d’énergie électrique au fil du temps, ils fonctionnent encore très bien après 25 ans.
❖ La durée de vie ne doit pas être confondue avec la durée des garanties proposées par les fabricants. Quel que soit le module photovoltaïque il existe deux formes de garantie distinctes. La durée de garantie du produit (garantie physique et matérielle donnée par le fabricant) est généralement comprise entre 12 à 40 ans. La garantie de performance est, quant à elle, souvent donnée sur 25 ans, ainsi la plupart des fabricants garantissent au moins 80 à 85% environ de la puissance nominale après 25 ans (et au-delà pour certains produits de très hautes gammes). Cette garantie de performance signifie que le module continuera de produire au moins 80% de la puissance initiale après 25 ans d’utilisation.
✦ L’empreinte écologique
❖ D’un point de vue bilan environnemental la fabrication de silicium monocristallin est plus énergivore que pour du silicium polycristallin (rejet de CO2 plus important et recourt à l’utilisation de certains produits chimiques). Ainsi, en sortie d’usine l’empreinte écologique est effectivement plus élevée.
❖ Pour autant, la notion d’impact environnemental et de bilan carbone est à modérer puisqu’il faut prendre en compte le cycle de vie complet des modules photovoltaïques. En effet, un module monocristallin aura un impact écologique plus faible qu’un module polycristallin en raison de son rendement plus élevé qui permet de compenser l’énergie supplémentaire nécessaire à sa fabrication.
❖ Il est actuellement estimé qu’il faudra entre 1,5 et 3 années à un système photovoltaïque constitué de modules monocristallins pour produire et restituer la quantité d’électricité nécessaire à sa production et l’ensemble de son cycle de vie. Toute l’électricité verte produite par la suite, et ce, sur toute la durée de sa vie aura un impact positif. Sur 30 ans, l’énergie restituée représente entre 10 et 20 fois l’énergie nécessaire à sa fabrication.
3. Choisir un panneau photovoltaïque cristallin
♦ Outre le choix entre des panneaux/modules monocristallins et polycristallins qui reposera sur des critères de rendement, d’esthétique ou de prix, il est nécessaire de privilégier avant tout la qualité du module. Une qualité premium sera gage de bonne facture et de technologies pointues. L’essentiel reste de s’assurer des performances, de l’efficacité et de la durabilité du module !
♦ De même, la réalisation de l’installation doit être de qualité, elle doit répondre aux caractéristiques et exigences des produits utilisés et aux normes de sécurité en vigueur, il est donc conseillé de faire appel à un installateur professionnel qualifié.
♦ Il y a quelques années le choix entre le monocristallin et le polycristallin pouvait encore faire débat, aujourd’hui le coût des modules a considérablement baissé et les modules monocristallins dominent largement le marché. Par conséquent, ce choix n’est plus réellement d’actualité. Notons par ailleurs que les performances ne cessent d’être améliorées…
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Si l’on considère la production et les performances effectives d’une l’installation photovoltaïque, celles-ci dépendent d’autres critères qui ne sont pas propres aux caractéristiques du modules. La zone géographique et son ensoleillement, l’inclinaison et l’orientation de l’installation photovoltaïque, la qualité de l’exposition, le choix de répartition des modules par chaîne, ainsi que le choix de l’onduleur ou des micro-onduleurs sont autant de facteurs qui auront une influence.
➥ voir article Composition et assemblage d’un panneau photovoltaïque
➥ voir article dédié Installation solaire photovoltaïque : l’onduleur. Fonctions, rôles et types
L’objectif de cet article est purement informatif, la plupart des installateurs proposent désormais des modules monocristallins, le choix entre les deux technologies n’est plus réellement à l’ordre du jour. Lors de l’élaboration d’un projet, les choix portent surtout sur la configuration, sur l’implantation du générateur photovoltaïque, sa puissance, ainsi que sur le type d’onduleur. Chacun de ces aspects est à prendre en considération avec réflexion et discernement.
Lors de l’étude de projet, Acsolue Energie est aux côtés de ses clients pour les guider dans ces choix fondamentaux et les informer afin d’élaborer ensemble la solution la plus performante et la plus pertinente.
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