Fonctionnement d’un panneau solaire photovoltaïque. Notions générales

Par Anne Carré
Écrit le 11 août 2021
Mis à jour le 07 décembre 2023

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Un panneau photovoltaïque permet de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire.
Qu’il s’agisse des cellules, du module, de l’onduleur ou de l’effet photovoltaïque, il est utile d’avoir certaines connaissances lorsque l’on envisage une installation photovoltaïque.
Faisons le point sur le fonctionnement d’un système solaire photovoltaïque.

1. Les équipements d'une centrale photovoltaïque. Principes généraux de la technologie photovoltaïque.

✦ Le module solaire photovoltaïque : le panneau

❖ Un module photovoltaïque, aussi appelé panneau photovoltaïque, est composé de cellules qui permettent de convertir une partie du rayonnement solaire en électricité grâce à l’effet photovoltaïque, environ 1/5^e de l’énergie solaire est convertie. Il s’agit donc d’un capteur solaire et générateur d’énergie électrique.
❖ C’est le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) qui a mis en évidence l’effet photovoltaïque en 1839. Il s’agit d’un phénomène physique propre aux matériaux dits semi-conducteurs.
❖ En présence d’un rayonnement lumineux, ces matériaux ont pour propriété de permettre la libération et la mise en mouvement des électrons par transfert de l’énergie des photons. La circulation des électrons ainsi générée produit un courant électrique continu.
❖ Le silicium cristallin est le semi-conducteur le plus utilisé pour constituer les cellules photovoltaïques, il peut s’agir de silicium monocristallin ou polycristallin.

➥ Voir article Les panneaux photovoltaïques de type monocristallin ou polycristallin. Le silicium cristallin qui fait la différence

❖ Les modules photovoltaïques jouent ainsi le rôle de générateur de courant continu dans un système de production d’électricité. Les modules sont montés en série au sein d’un même réseau, on dit qu’ils appartiennent à une même chaîne, le terme string signifiant chaîne en anglais est également couramment usité.
❖ Le nombre de modules peut varier dans une chaîne, et une installation photovoltaïque peut comporter plusieurs chaînes.
❖ Un onduleur est nécessaire pour transformer le courant continu issu des modules photovoltaïques en courant alternatif 230 V utilisable par les appareils électriques branchés sur le réseau.
❖ Le rendement d’un module photovoltaïque correspond à la proportion d’énergie solaire transformée en électricité. L’énergie qui n’est pas transformée en électricité est dissipé dans l’air sous forme de chaleur (ce qui représente donc environ 4/5^e de l’énergie). Si un module affiche un rendement de 20% alors cela signifie que 20 % de l’énergie des rayons solaires sont convertis en énergie électrique.
❖ Un module photovoltaïque a une durée de vie entre 30 et 40 ans. Cette durée de vie ne doit pas être confondue avec la durée des garanties proposées par les fabricants. La durée de garantie du produit (garantie physique et matérielle donnée par le fabricant) est généralement comprise entre 12 à 30 ans. La garantie de performance est, quant à elle, souvent donnée sur 25 ans, 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’onduleur d’une centrale photovoltaïque

❖ L’onduleur a pour fonction de convertir le courant continu produit par les modules photovoltaïques en courant électrique alternatif identique à celui utilisé sur le réseau électrique domestique. L’onduleur synchronise le courant au réseau de distribution avec les mêmes caractéristiques, soit 230V et 50 Hz pour la France. C’est un dispositif essentiel et indispensable pour pouvoir utiliser l’électricité produite, le courant converti est alors exploitable par l’ensemble des appareils électriques branchés sur le réseau domestique. Sans cet élément clé les capteurs solaires photovoltaïques restent inutiles.
❖ L’onduleur analyse, régule et optimise la production électrique générée par les capteurs. Il assure également la sécurité du système par une protection de découplage. L’ensemble du mécanisme répond à des impératifs et normes de sécurité obligatoires pour protéger les biens et les personnes.
❖ L’onduleur est généralement associé à un système de monitoring qui permet un suivi de la production et de la consommation. Le producteur peut ainsi facilement connaître son autoconsommation et estimer son autonomie par rapport au réseau de distribution (autoproduction).
❖ Selon les besoins et la configuration, le type d’onduleur peut différer : il peut s’agir d’un onduleur de chaîne, de micro- onduleurs ou d’un onduleur hybride (très approprié dans le cas d’un système de stockage).
❖ Quel que soit le type d’onduleur, c’est une pièce maîtresse, il s’agit d’un équipement essentiel aux fonctionnalités diverses complexes. Lors de la conception d’un système photovoltaïque et l’étude de projet, le choix de l’onduleur ne doit pas être négligé, divers critères pertinents seront à prendre en considération qu’il s’agisse de configuration, de critères techniques ou de coût.

➥ Voir article dédié Installation solaire photovoltaïque : l’onduleur. Fonctions, rôles et types

✦ La centrale solaire photovoltaïque

❖ Un générateur photovoltaïque est composé d’un ou plusieurs modules photovoltaïques (les capteurs et générateurs d’énergie), ils sont reliés entre eux et aux équipements nécessaires au bon fonctionnement d’une installation. Une installation photovoltaïque est ainsi composée des modules, d’un ou plusieurs onduleurs, de coffrets de protection, et des câbles et connectiques nécessaires. L’ensemble du dispositif constitue une centrale solaire photovoltaïque, aussi appelée système photovoltaïque.

❖ Pour une production optimale, les capteurs solaires d’une installation photovoltaïque idéale sont orientés plein sud, sur un support parfaitement exposé au soleil, en respectant une inclinaison de 30° à 35°. Il faudra bien entendu éviter toute ombre portée.
❖ Dans la réalité, la configuration idéale est généralement éloignée des possibilités d’installation. L’étude du projet permet d’évaluer la meilleure implantation pour une production optimale.

❖ Pour les installations en résidentiel les modules solaires sont majoritairement installés sur la toiture du bâtiment, ils sont fixés en surimposition (au-dessus du toit) et en parallèle au pan de toiture, il n’y a donc pas de risque d’infiltration de l‘eau. La structure de fixation est composée de rails en aluminium sur lesquels viennent se poser les modules. Il existe différents types de structures selon le support où sont posés les modules et la fonction annexe éventuelle de l’installation (générer un ombrage par exemple).
❖ Selon la surface disponible, les modules peuvent être installés sur un ou plusieurs pans si l’exposition est adaptée. Idéalement, une exposition plein sud est à privilégier, les modules peuvent cependant être installés sur des pans exposés au sud-est ou sud-ouest, à l’est ou à l’ouest. Si les capteurs sont répartis sur des pans orientés à l’est et à l’ouest, la production sera alors étalée sur une plage horaire plus importante, elle débutera plus tôt le matin et cessera plus tard en fin de journée.
❖ Naturellement, l’exposition des pans des bâtiments n’est pas infailliblement idéale et ne permet pas toujours d’obtenir une production optimale. Les facteurs impactant la production peuvent être liés à l’orientation, à l’inclinaison de la toiture, ou à l’ombrage (arbres ou bâtiments à proximité notamment). Il est toutefois possible d’installer les modules photovoltaïques en ombrière en façade (brise-soleil), sur un bâtiment annexe (garage, dépendance., abris..), sur un carport ou sur un toit terrasse…
➥ Voir article L’orientation et l’inclinaison optimales pour vos panneaux photovoltaïques
❖ Les nombreuses possibilités d’installation et la polyvalence des configurations permettent généralement de trouver la solution la plus adaptée aux besoins et préférences.
❖ Les installations au sol sont possibles en résidentiel mais elles ne bénéficient ni de l’aide octroyée dans le cadre du dispositif d’Obligation d’Achat (prime à l’investissement pour l’autoconsommation) ni du tarif d’achat règlementé.
❖ Une centrale photovoltaïque permet par ailleurs une grande modularité. Si les besoins évoluent, il est toujours possible d’augmenter la puissance de l’installation et donc le nombre de modules solaires. Dans le cas d’une installation avec un onduleur de chaîne il faudra néanmoins adapter sa puissance si nécessaire, son remplacement peut être à envisager. Une installation photovoltaïque est donc évolutive et sur-mesure, elle dépend cependant de la surface disponible.
❖ L’électricité produite peut être utilisée sur le réseau domestique du bâtiment, elle peut ainsi couvrir une partie des besoins électriques. Il est également possible de vendre la totalité de la production électrique en l’injectant intégralement sur le réseau Enedis ou de vendre uniquement le surplus, seule la production excédentaire non consommée est alors vendue. Si le producteur a fait appel à un installateur professionnel certifié RGE et si les conditions d’éligibilité sont remplies, il peut bénéficier du tarif d’achat règlementé sur 20 ans auprès d’EDF OA (ou l’ELD concernée) et de la prime à l’autoconsommation s’il opte pour la vente du surplus (aussi appelée prime à l’investissement).
➥ Voir article Le solaire photovoltaïque : aides, conditions, Obligation d’Achat. Tarifs d’achat et primes en 2024

❖ Si le producteur souhaite tendre à une meilleure autonomie pour bénéficier de sa propre énergie solaire lorsque la production est insuffisante ou nulle, il est possible d’installer un système de stockage avec chargeur et batterie(s). Ainsi, si les conditions ont été suffisantes pour charger les batteries, l’utilisation différée de la production est une solution pour continuer à couvrir une partie des besoins lorsque l’ensoleillement devient moindre, lorsque la production photovoltaïque est insuffisante par rapport à la consommation, ou lorsqu’il fait nuit. Lors d’une coupure d’électricité, c’est également un réel atout. Ce type d’équipement reste néanmoins encore onéreux.

2. Le solaire photovoltaïque. Ne pas confondre avec le solaire thermique.

♦ Il faut distinguer les panneaux photovoltaïques des panneaux solaires thermiques, aussi appelés capteurs solaires thermiques. Ces derniers captent l’énergie des rayons solaires pour la restituer en chaleur, il s’agit d’une autre technologie puisqu’elle ne repose pas sur la production d’électricité photovoltaïque. Il existe des capteurs thermiques à eau et des capteurs à air.

✦ Les capteurs thermiques à eau

❖ Dans un modèle de fonctionnement utilisant des capteurs thermiques » à eau « , chaque panneau est constitué de tubes munis d’ailettes dans lesquels circule un fluide caloporteur, principalement du glycol, en circuit fermé. Les ailettes forment « l’absorbeur », elles captent la chaleur et la transmettent au fluide caloporteur. La chaleur passe ensuite par un échangeur thermique pour chauffer l’eau. Cette technologie permet de produire de l’eau chaude sanitaire, on parle de chauffe-eau solaire individuel (CESI), l’eau est chauffée et stockée dans un ballon. L’eau chaude peut également être utilisée pour le chauffage s’il s’agit d’un système solaire combiné (SSC).

✦ Les capteurs thermiques à air

❖ Lorsque des capteurs thermiques à air sont utilisés, de l’air circule et s’échauffe au contact des absorbeurs. Le principe repose globalement sur l’effet de serre. L’air chaud s’accumule au sein d’un caisson vitré, il est ensuite propulsé dans les bâtiments (habitats pour le chauffage, hangars agricoles pour le séchage des productions…). Ce dispositif constitue un chauffage d’appoint et complémentaire puisqu’il permettra d’augmenter la chaleur du bâtiment de quelques degrés si toutefois l’isolation est suffisante.

✦ Les panneaux solaires hybrides

❖ Il existe aussi des panneaux solaires hybrides (capteurs solaires mixtes ou photovoltaïques thermiques). Ces dispositifs « 2 en 1 » utilisent à la fois des capteurs photovoltaïques en leur surface et des capteurs thermiques en sous-face. Ces panneaux hybrides, qu’ils soient à eau (hydrauliques pour une production d’eau chaude) ou à air (aérovoltaïques pour une production d’air chaud), génèrent à la fois une production électrique et thermique.
❖ Si l’on considère le solaire photovoltaïque, environ 1/5e de l’énergie solaire est convertie en électricité, ce sont donc approximativement 4/5e de cette énergie qui se dissipent dans l’air sous forme de chaleur. Les capteurs thermiques de la technologie hybride permettent donc de récupérer une partie de cette chaleur. La partie du système thermique permet de limiter quelque peu les pertes de rendement si la température en surface du module devient trop importante puisque l’eau ou l’air utilisé en sous-face permet de moins accumuler de chaleur au niveau des cellules photovoltaïques.

♦ Ces technologies ne font pas réellement concurrence au photovoltaïque, leurs principes et leur utilisation étant différents, la comparaison reste complexe et même inappropriée… Le solaire thermique permet en général un apport en chauffage complémentaire ou se substitue à un cumulus électrique pour la production d’eau chaude lorsque l’ensoleillement le permet. Le dimensionnement de la puissance dépend des besoins thermiques. Le solaire photovoltaïque permet quant à lui de réduire l’ensemble de la facture énergétique grâce à l’autoconsommation (ou bien de générer des revenus en vente totale), le dimensionnement de l’installation dépend dans ce cas des besoins en électricité.
♦ L’apport en chauffage d’une installation solaire thermique doit être considéré avec précautions, il s’agit d’un complément qui dépend de l’ensoleillement. En outre, un tel système n’est pertinent que si l’isolation est performante.
♦ Les systèmes solaires thermiques à eau sont par ailleurs quelque peu plus complexes à installer et à entretenir (en raison du fluide caloporteur) et offrent moins de modularité d’installation, certaines contraintes techniques dictent leur emplacement. Notons que ces systèmes sont plus sensibles aux pics de températures qui peuvent altérer la production et générer des disfonctionnements en raison d’un grand froid (gel) ou de chaleurs extrêmes, l’intervention d’un dépanneur peut alors être nécessaire. Ces technologies ont par contre l’avantage de bénéficier des aides de l’Etat.
♦ Un ballon solaire thermique peut très bien être associé à un système photovoltaïque, les deux technologies étant complémentaires dans leurs utilisations.
♦ Notons qu’un système de pompe à chaleur combiné à un système photovoltaïque constitue une solution pertinente en termes de coût, de rendements et d’économies. Il en va de même pour un ballon thermodynamique. C’est à chacun de faire ses choix, selon ses objectifs et selon son budget. Notons que l’investissement pour du solaire thermique hybride est plus conséquent par rapport à une installation photovoltaïque.
♦ Comparer le solaire thermique simple avec le photovoltaïque du point de vue du coût est un non-sens puisque ce sont deux types de production d’énergie totalement différents. Les objectifs ne sont donc pas les mêmes non plus.
♦ Les performances, les rendements et la durabilité du solaire photovoltaïque restent encore aujourd’hui inégalés, et les évolutions sont très prometteuses. Un système photovoltaïque repose sur une technologie et un fonctionnement très simples, ce qui joue d’autant plus sur sa durabilité. Sa fiabilité et sa durabilité ont d’ailleurs été éprouvées et longuement étudiées. Le solaire photovoltaïque bénéficie en effet d’un réel recul, ses balbutiements remontent à la fin des années 1950…
♦ Une règle simple est à garder à l’esprit : plus les technologies sont complexes et diversifiées, plus les risques de défaillances dans le temps sont multipliés, cela reste un constat indubitable. Si la simplicité est une vertu, elle est aussi synonyme ici de robustesse et de longévité.

➥ Voir article La fabuleuse histoire du photovoltaïque. Historique, origines, découvertes et évolutions

3. Installation photovoltaïque et unités de mesures

♦ Concernant une installation photovoltaïque on utilise couramment deux unités de mesure différentes.

✦ Le watt-crête

❖ Le watt-crête (Wc) ou kilowatt-crête (kWc) est utilisé pour mesurer la puissance maximale (= puissance crête) délivrée par un panneau ou un générateur photovoltaïque dans des conditions standards. Le Watt-peak (Wp) correspond à la même unité en anglais.

❖ Les conditions STC (Standard Test Conditions) correspondent à un ensoleillement instantané de 1000 W/m² (ensoleillement maximal à la surface de la Terre), une température du panneau de 25°C et un coefficient du spectre solaire Air-Masse de 1,5*.
❖ La puissance crête, aussi appelée puissance nominale, est uniquement atteinte si toutes les conditions sont idéales et réunies. Ainsi, un panneau photovoltaïque de 410 Wc délivrera une puissance instantanée de 410 W uniquement sous les conditions STC. Il s’agit donc d’une puissance maximale potentiellement atteignable. En situation réelle cela impliquerait des conditions identiques à celles artificiellement créées selon les normes STC.
❖ Dans un environnement réel ces conditions ne peuvent pas toutes être réunies sur le site d’implantation des modules et elles sont fluctuantes au fil des heures de la journée et des saisons. Les modules photovoltaïques sont soumis à des facteurs climatiques, environnementaux et aux spécificités du site d’implantation, ce sont autant de paramètres qui ont une incidence sur la puissance maximale atteignable.

ℹ️ Info : le coefficient air-masse*
Le coefficient AM air-masse se rapporte à l’épaisseur de la couche atmosphérique qui doit être traversée par le rayonnement solaire.
Pour la prise en compte des données liées à l’énergie photovoltaïque et l’irradiance (W/m2), c’est le coefficient AM 1,5 qui est retenu. On considère alors un rayonnement solaire arrivant à 48,2°, tel que l’épaisseur atmosphérique traversée est égale à 1,5 fois l’épaisseur de l’atmosphère (normalisée à 1).
C’est complexe mais cela a le mérite d’être dit !

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Des watts au térawatt

Kilowatt : 1 kW = 1 000 W

➠ 1 000 watts

Mégawatt : 1 MW = 1 000 kW

➠ 1 million de watts

Gigawatt : 1 GW = 1 000 MW

➠ 1 milliard de watts

Térawatt : 1 TW = 1 000 GW

➠1 000 milliard de watts

4. Rayonnement solaire et irradiation : impact sur la production d'une installation photovoltaïque

♦ En France, le rayonnement solaire ou plus exactement l’irradiation solaire est suffisante partout pour justifier d’une installation photovoltaïque. L‘irradiation solaire est mesurée en kWh/m² sur une période donnée.
♦ Si les régions les plus ensoleillées sont plus propices à la production photovoltaïque, il est parfaitement possible d’installer un système photovoltaïque dans les régions moins gâtées en ensoleillement. Même si la production annuelle sera moindre en raison d’une irradiation solaire plus modérée, le solaire photovoltaïque reste pertinent même dans le nord de la France. L’Allemagne n’est-elle pas d’ailleurs en tête du classement européen des producteurs d’énergie photovoltaïque ? 😉 L’énergie solaire est donc disponible et exploitable partout.

➠ irradiation en kWh / m2
Source Solar resource map © 2021 Solargis (CC BY-SA 4.0)

➠ production annuelle en kWh / kWc (=kWp)
Source Solar resource map © 2021 Solargis
CC BY-SA 4.0

♦ La production potentielle (ou productible) est également liée à la qualité et à la puissance de l’équipement et bien entendu à la qualité de son installation.
♦ On estime que pour 1 kWc installé, la production annuelle moyenne est de 800 à 1100 kWh dans le nord de la France, de 1100 à 1200 kWh dans le Sud-Ouest, et de 1200 kWh à 1 400 kWh dans le sud sud-est (approximativement).

⤷ Ainsi, à Bordeaux, on estime que la production d’une installation photovoltaïque d’une puissance de 3 kWc, orientée plein sud, serait annuellement de 1 290 kWh environ par kWc (et pour une irradiation annuelle de 1635.48 kWh/m²). Le productible total serait donc de 3 870 kWh/an dans une configuration optimale. Une même installation à Bordeaux orientée à l’est pourrait produire 3 050 kWh/an. En comparaison, une installation de puissance identique à Paris orientée plein sud pourrait atteindre 3 430 kWh/an.

♦ Pour évaluer la production potentielle d’une installation, que l’on nomme le productible, il est donc nécessaire de connaître l’irradiation en kWh/m2 sur une période donnée selon la localisation. La production potentielle mensuelle ou annuelle en kWh peut alors être estimée en prenant en compte la puissance et la configuration de l’installation (orientation et inclinaison). Les outils en ligne fournis par PVGIS ou photovoltaique.info sont très utiles et accessibles à tous :
➥ https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/fr/tools.html
➥ https://carte-productible.photovoltaique.info/

♦ Rappelons que même par temps nuageux une centrale photovoltaïque produit de l’énergie, elle sera moindre mais effective malgré tout !
➥ Voir article L’orientation et l’inclinaison optimales pour vos panneaux photovoltaïques

5. Incidence de la température sur la production d'une installation photovoltaïque

♦ Un rayonnement solaire de grande intensité est très favorable à la production d’énergie.
♦ Or, si les modules sont « friands » d’un grand ensoleillement, ils n’ont pas du tout la même affinité avec les fortes chaleurs, contrairement à ce que l’on pourrait penser…

✦ Petites explications…

❖ Un module photovoltaïque monocristallin convertit en moyenne 20 % de l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Outre la perte d’énergie par réflexion, l’énergie absorbée non-transformée en électricité se dissipe sous forme de chaleur.
❖ Au-delà de 25 °C en température de surface des cellules photovoltaïques, les performances d’un module ne sont plus optimales et le rendement en énergie accuse une perte. Selon les caractéristiques électriques données par les fabricants, les coefficients de température indiquent en moyenne une dégradation de puissance de 0,4 % par degré d’élévation. Ainsi un module peut perdre jusqu’à 0,4 % de sa puissance par degré supplémentaire au-delà de 25 °C (en température de surface des cellules). En effet, plus la température augmente au sein des cellules, plus la tension baisse… et plus la puissance diminue.
❖ Les températures atteintes en surface d’une cellule sont bien entendu très variables, elles dépendent des conditions climatiques mais aussi de la ventilation plus ou moins favorisée selon le mode de fixation. Un module mal ou peu ventilé voit sa température monter plus rapidement et sa production en énergie plus impactée. Une bonne ventilation induit donc une meilleure production électrique. Si l’on considère les installations sur toiture actuelles, la pose en surimposition favorise la ventilation des modules (comparativement à la pose en intégration utilisée auparavant).
❖ Un bel ensoleillement de mi-saison peut ainsi s’avérer plus profitable en termes de production à l’instant T qu’un soleil radieux par forte chaleur en plein été. Point positif à garder en tête, pendant l’été le temps d’ensoleillement est par contre plus long, la production sera donc plus importante sur l’ensemble de cette période ! 😉

7. Le solaire photovoltaïque : une solution respectueuse de l'environnement

♦ L‘énergie solaire est une ressource renouvelable gratuite, si elle n’est pas disponible tout le temps, elle reste néanmoins inépuisable, abondante et accessible partout. Grâce à l’énergie solaire, la production électrique devient locale, et utilisable sur place, l’énergie consommée ne dépend d’aucun acheminement.
♦ Pendant toute la durée d’exploitation d’un système photovoltaïque, la production électrique solaire ne génère aucune pollution, il n’y a aucune émission de CO₂ou autre gaz à effet de serre, et aucun rejet ou déchet radioactif n’en résulte. Il n’y a donc ni rejet nocif ou quelconque impact néfaste sur l’environnement. Le fonctionnement d’un générateur photovoltaïque reste par ailleurs totalement imperceptible, il ne sollicite aucune combustion ou mise en mouvement, il ne génère donc ni bruit, ni odeur. Outre l’aspect visuel qui peut ne pas répondre à des exigences esthétiques ou paysagères, un système photovoltaïque n’implique aucune nuisance sur l’environnement
♦ Parler d’une énergie verte nécessite toutefois quelques précisions indispensables. Il faut en réalité tenir compte du coût énergétique durant le cycle de vie complet d’un système photovoltaïque : la fabrication d’un module et de ses divers composants, la fabrication de tous les autres équipements (onduleur, câbles, connectiques, coffrets de protection), le transport et le recyclage. Or l’énergie photovoltaïque suscite bien des controverses liées au processus de fabrication des modules solaires dont le coût énergétique est effectivement élevé. Toutes les études sérieuses démontrent néanmoins qu’un système photovoltaïque produit et restitue plus d’énergie que celle nécessaire au cours de son cycle de vie. Le temps de retour énergétique estimé varie entre 1,5 et 3 années en moyenne (un an au plus pour un module photovoltaïque seul), il dépend de la localisation et des performances de l’équipement. Un module photovoltaïque a une durée de vie de 30 à 40 ans, une fois la dette énergétique compensée et l’empreinte carbone contrebalancée par l’énergie produite, la production décarbonée générée s’étale donc sur une bien longue période.
♦ Une autre polémique concerne l’utilisation de terres rares, métaux dont l’extraction et le raffinage sont très polluants et donc controversés (ils ne sont pas forcément rares). ‍ Or, les modules constitués de silicium cristallin en sont parfaitement exempts.

♦ Les matériaux utilisés pour les modules photovoltaïques sont recyclables et valorisés à près de 95 % en France. Ils auront en outre une deuxième vie…
♦ Le solaire photovoltaïque permet ainsi de profiter d’une énergie durable et respectueuse de l’environnement. L’électricité produite se substitue à une autre énergie, l’intérêt économique et écologique est de réduire la consommation d’une énergie fossile ou fissile (énergie résultant de la fission nucléaire d’atomes d’uranium). L’énergie solaire photovoltaïque produite et consommée évite l’émission de CO₂, elle induit donc une réduction de l’empreinte carbone et limite l’impact sur l’environnement et le climat. Dans le cadre de la transition énergétique, et la lutte contre le réchauffement climatique, c’est une solution alternative écologique et efficace pour subvenir durablement aux besoins grandissants en électricité.

➥ Voir article Pourquoi passer à l’énergie solaire ? Les atouts du photovoltaïque et ses limites

8. De la cellule photovoltaïque à la centrale solaire photovoltaïque

♦ Un module photovoltaïque « standard » est constitué d’un assemblage de cellules photovoltaïques connectées entre elles en série et assemblées en chaînes. Ces cellules sont capables de capter et transformer l’énergie du rayonnement solaire en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.

✦ La cellule photovoltaïque

❖ Chaque cellule est une très fine plaquette composée de silicium cristallin, le wafer. Le silicium est dit monocristallin s’il s’agit d’un seul cristal de silicium, ou polycristallin s’il est formé de plusieurs cristaux. Tout dépend en réalité de sa pureté liée au process de fabrication et de cristallisation. Le silicium est un semi-conducteur, ses propriétés atomiques et conductrices permettent l’effet photovoltaïque. Chaque cellule est ainsi capable de convertir environ 1/5e de l’énergie solaire (rayonnement) en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
❖ Une cellule photovoltaïque est en réalité composée de deux couches de silicium. Le silicium subit divers traitements, selon la composition atomique obtenue, une couche supérieure (face exposée aux rayons) et une couche inférieure sont formées. La couche supérieure présente un excès d’électrons tandis que la couche inférieure présente un déficit d’électrons, cette différence est fondamentale pour permettre l’effet photovoltaïque puisqu’elle provoque un champ électrique interne. Dans le cas de cellules TOPCon (technologie récente), les couches sont inversées.
❖ Lorsque la cellule est soumise au rayonnement solaire, l’effet photovoltaïque apparaît si l’énergie des photons des rayons lumineux est suffisante pour être transférée aux électrons des atomes du silicium et leur permettre d’être libérés. Ainsi, chaque électron qui absorbe l’énergie d’un photon est « excité » et libéré de son atome, les propriétés du silicium lui permettent alors de se mettre en mouvement. L’action du champ électrique interne induit la circulation des électrons dans un même sens. Or chaque face de la cellule comporte des conducteurs métalliques reliés à un circuit extérieur, le flux d’électrons transite donc via ce circuit de la couche supérieure (devenue pôle négatif) à la couche inférieure (devenue pôle positif). Cette circulation d’électrons génère la production d’un courant électrique continu.
❖ Les cellules sont connectées entre elles en série et réseaux grâce à des éléments de contact métalliques sur les deux faces de la cellule, ils constituent les collecteurs et conducteurs du flux d’électrons.

✥ Face avant

⤷ Sur la face éclairée de la cellule, les contacts métalliques forment une grille. En effet, le dépôt d’une pâte d’argent et/ou cuivre par impression a créé des bandes conductrices appelées « doigts » et « busbars« .
➛ Les doigts correspondent aux bandes conductrices les plus minces, ce sont les collecteurs du courant continu.
➛ A leur perpendiculaire, ces doigts sont connectés à des bandes conductrices plus larges, il s’agit des busbars (aussi appelées barres omnibus) où le courant est conduit et distribué de cellule en cellule.

✥ Face arrière

⤷ Une pâte d’aluminium est déposée par sérigraphie sur toute la face arrière du wafer, la métallisation forme ainsi une fine plaque conductrice. S’il s’agit de panneaux Topcon, ce sont des contacts en pâte d’argent qui permettent la conduction.

➠ Le flux électrique généré circule donc entre les diverses cellules par les conducteurs métalliques.

❖ Chaque série de cellules constitue une chaîne, tous ces sous-réseaux sont ensuite reliés pour permettre la conduction du courant au boitier de jonction placé en face arrière du module. Le boitier de jonction permet le raccordement du module à l’ensemble de l’installation.
❖ Les cellules présentent une couche antireflet sur la face avant et une texturation du silicium en sa surface qui permettent de minimiser la réflexion de la lumière et ainsi réduire les pertes par réflexion. La couche antireflet et la texturation facilitent et favorisent l’absorption de l’énergie d’un maximum de photons. Moins il y a de photons réfléchis, plus le nombre de photons qui transfèrent leur énergie aux électrons est élevé. De facto, plus il y a d’électrons libérés et mis en circulation, plus la quantité d’énergie absorbée et convertie en électricité est augmentée.
❖ Taille des cellules. Les cellules photovoltaïques sont de dimensions très variables, une cellule miniature permet d’équiper un petit appareil électronique. Il existe des tailles de cellule standardisées, les formats carrés dominants pour les installations photovoltaïques sont de 16 cm à 21 cm environ de côté. La technologie demi-cellules consiste à utiliser les deux fractions séparées d’une cellule entière coupée au laser.

➥ voir article Au cœur de la cellule solaire pour comprendre l’effet photovoltaïque : dopage du silicium, production d’électricité

✦ De la cellule au module photovoltaïque

❖ Chaque cellule constitue un générateur électrique de très faible puissance, dont la tension est d’environ 0,5V à 0,6V. Pour les systèmes photovoltaïques qui nous intéressent il va falloir un nombre de cellules adapté pour fournir une puissance utile et utilisable…
❖ Connectées en série, ces cellules sont donc assemblées entre elles en plusieurs sous-réseaux et constituent ainsi un module photovoltaïque capable de délivrer une tension et un courant électrique compatibles avec le réseau électrique.
❖ Sous la forme d’un module, les petites quantités d’électricité générées par les différentes cellules sont donc additionnées, la puissance du module dépend donc du nombre de cellules.

✥ Petit aparté électrique : la puissance P et l’intensité I

⤷ La puissance électrique P (en Watts), est le produit de la tension U (en Volts) par l’intensité I du courant (en ampères) :
➱ P = U x I
⤷ Une connexion en série permet d’augmenter la tension pour une intensité de courant identique, les tensions des cellules sont donc additionnées tandis que l’intensité est égale à celle d’une cellule. Dans un montage en série, plus le nombre de cellules est important plus la tension est élevée…
⤷ L’intensité du courant dépend quant à elle du rayonnement solaire. Plus l’intensité est grande, plus la puissance est élevée.

➥ voir article Composition et assemblage d’un panneau photovoltaïque

✦ Du module à la centrale photovoltaïque

❖ Tout comme un module est constitué de multiples cellules, une installation photovoltaïque est composée de plusieurs modules. Il suffit de déterminer le nombre de modules nécessaires pour atteindre la puissance souhaitée.
❖ L’ensemble des modules constitue donc le générateur de courant au sein de la centrale photovoltaïque. L’énergie électrique produite correspond donc à l’addition de la production de l’ensemble des modules, et de facto, de l’ensemble des cellules photovoltaïques. La cellule représente finalement l’unité de base du générateur complet.
❖ La puissance totale de l’ensemble des modules pourra ainsi être suffisamment élevée pour être à l’échelle d’une partie des besoins en énergie électrique d’un logement ou tout autre bâtiment (privé, public, professionnel…) ou permettre de générer des revenus en étant injectée sur le réseau et être vendu.

❖ La puissance crête d’une centrale photovoltaïque correspond à la puissance électrique maximale et totale pouvant être fournie, elle dépend donc à la fois du nombre de modules et de leur puissance crête exprimée en watts-crête. Les modules les plus utilisés actuellement ont généralement une puissance de 375 Wc à 510 Wc. Une centrale photovoltaïque de 3 kWc (3 000 Wc) peut ainsi nécessiter 5 à 8 modules selon leur puissance. Il faut toutefois garder à l’esprit que quel que soit le nombre de panneaux, c’est la puissance installée qui est à considérer : pour une installation photovoltaïque d’une puissance donnée en kWc, le nombre de panneaux n’influence pas la capacité de production.
❖ L’analyse de la configuration de l’installation photovoltaïque envisagée et des besoins en électricité permet de déterminer la puissance du système. On parle du dimensionnement de la centrale solaire photovoltaïque. Lors d’une étude de projet, le dimensionnement est donc une étape cruciale, le conseiller commercial ou le technicien doit faire cette évaluation avec la plus grande rigueur.

9. Nombre de cellules photovoltaïques

♦ Le nombre de cellules connectées dans un même module peut varier d’un fabricant à l’autre.
♦ Trois catégories sont à retenir :
⬗ les modules de 36 cellules (4×9 ou 6×6)
➛ Il s’agit de modules compacts de 12V utilisés pour des petites installations (bateau, camping-car, éclairage…).

⬗ les modules de 60 cellules (6×10), 72 cellules (6×12) et pour les plus récents 96 cellules (8×12) ou 104 cellules (8 x 13)
➛ Les installations conçues avec ces modules permettent de délivrer une tension similaire à la tension du réseau de distribution.
L’onduleur convertit le courant continu en courant alternatif selon les spécificités et valeurs électriques adaptées.

⬗ les modules de 120 demi-cellules (6×20), 132 demi-cellules (6×22), 144 demi-cellules (6×24) ou 156 demi-cellules (6×36) pour les versions XL.
➛ Les modules à demi-cellules sont de plus en utilisés, cette technologie permet d’améliorer les performances.

➥ Voir article dédié Les panneaux solaires photovoltaïques demi-cellules

♦ Les dimensions des modules photovoltaïques sont très variables d’un fabricant et d’une gamme à l’autre, et dépendent bien entendu du nombre de cellules. A titre indicatif les dimensions moyennes sont de 1 mètre par 1,70 à 1,90 mètre. Pour les dimensions les plus courantes, le poids moyen est d’environ 20 kg.

Le fonctionnement d’une centrale photovoltaïque n’est pas en soit complexe, néanmoins le choix de chaque élément est à prendre en considération avec réflexion, et discernement. Acsolue Energie vous conseille de faire appel à un professionnel qui saura vous guider pour faire les choix les plus pertinents.
Lors de la conception d’un système photovoltaïque, l’étude de projet et le diagnostic technique doivent permettre d’élaborer la solution la plus performante qu’il s’agisse d’équipements, de configuration, ou d’implantation du générateur photovoltaïque…

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