L'énergie photovoltaïque solaire : une énergie propre et fiable pour un avenir durable

L'énergie photovoltaïque solaire : principes et enjeux

L'énergie photovoltaïque (PV) solaire est une méthode de production d'énergie électrique en convertissant le rayonnement solaire en courant électrique continu à l'aide de semi-conducteurs qui présentent l'effet photovoltaïque. L'énergie PV solaire est une source d'énergie renouvelable et durable. Elle est désormais la troisième source d'énergie renouvelable la plus importante après l'hydroélectricité et l'éolien en termes de capacité installée mondialement. Les cellules solaires, aussi appelées cellules photovoltaïques par les scientifiques, convertissent directement l'énergie du soleil en électricité. PV tire son nom du processus de conversion de la lumière (photons) en électricité (tension), appelé « effet photovoltaïque (PV) ». L'effet PV désigne l'excitation des électrons par les photons de lumière vers un état d'énergie supérieur, leur permettant d'agir comme porteurs de charge pour un courant électrique. L'effet PV a été observé pour la première fois par Alexandre-Edmond Becquerel en 1839. Le terme photovoltaïque désigne le mode de fonctionnement non polarisé d'une photodiode dans lequel le courant traversant le dispositif est entièrement dû à l'énergie lumineuse transduite. Pratiquement tous les dispositifs photovoltaïques sont un type de photodiode. L'effet PV du silicium (un élément présent dans le sable) a été découvert en 1954, lorsque des scientifiques de Bell Telephone ont découvert que le silicium créait une charge électrique lorsqu'il était exposé à la lumière du soleil.

L'énergie solaire : une ressource abondante

L'énergie solaire est la ressource énergétique la plus abondante sur Terre. La conversion directe de l'énergie solaire en énergie électrique dans les cellules PV est l'une des trois technologies solaires actives. Les deux autres technologies sont « l'énergie solaire à concentration (CSP) » et « les capteurs solaires thermiques pour le chauffage et le refroidissement (HSC) ». Aujourd'hui, le PV fournit plus de 0,1 % de la production d'énergie mondiale totale. Il a également un avenir prometteur. La capacité PV mondiale augmente à un taux de croissance annuel moyen de plus de 40 % depuis 2000 et possède un potentiel significatif de croissance à long terme dans les années à venir. L'énergie photovoltaïque solaire est une technologie commercialement disponible et fiable pour la production d'électricité. Elle contribue non seulement à des réductions significatives des émissions de gaz à effet de serre, mais apporte aussi des avantages en termes de sécurité d'approvisionnement énergétique et de développement socio-économique. Face à la demande croissante de sources d'énergie renouvelables, la fabrication de cellules solaires et de modules photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années.

Fonctionnement et applications

Les cellules solaires produisent de l'électricité en courant continu à partir de la lumière du soleil, qui peut être utilisée pour alimenter des équipements ou recharger une batterie. La première application pratique du photovoltaïque a été l'alimentation de satellites en orbite et d'autres engins spatiaux, mais aujourd'hui, la majorité des modules photovoltaïques sont utilisés pour la production d'électricité raccordée au réseau. Dans ce cas, un onduleur est utilisé pour convertir le courant continu (CC) en courant alternatif (CA).

Les panneaux solaires utilisés pour la production d'énergie sont généralement constitués de cellules solaires combinées en modules contenant environ 40 cellules. De nombreux panneaux solaires combinés forment un système appelé champ solaire (solar array). Des câbles solaires en cuivre connectent les modules (câble de module), les champs (câble de champ) et les sous-champs. Un bâtiment typique utilisera environ 10 à 20 panneaux solaires pour répondre à ses besoins en énergie. Pour les applications industrielles ou de services publics à grande échelle, des centaines de champs solaires sont interconnectés pour former un grand système PV à l'échelle du service public.

Optimisation de la performance

Pour une performance optimale, les panneaux PV solaires visent à maximiser le temps pendant lequel ils font face au soleil pour une production d'énergie plus élevée. Les trackers solaires y parviennent en déplaçant les panneaux PV pour suivre le soleil. Cela leur permet de capter le maximum de lumière solaire. L'augmentation peut atteindre 20 % en hiver et 50 % en été. Les systèmes à montage fixe peuvent être optimisés par l'analyse de la course du soleil. Les panneaux sont souvent réglés à l'inclinaison de latitude, un angle égal à la latitude, mais la performance peut être améliorée en ajustant l'angle pour la saison estivale et la saison hivernale. Généralement, comme pour les autres dispositifs à semi-conducteurs, les températures supérieures à la température ambiante réduisent la performance des cellules photovoltaïques.

Structure et rendement des cellules solaires

Une cellule solaire se compose de couches d'un matériau semi-conducteur. Lorsque la lumière frappe la cellule, elle crée un champ électrique à travers les couches, provoquant le flux d'électricité. Plus l'intensité de la lumière est grande, plus le flux d'électricité est important. Cependant, un système PV peut également produire de l'électricité par temps nuageux. Il n'a pas besoin de lumière solaire directe pour fonctionner. La performance d'une cellule solaire est mesurée en termes d'efficacité à convertir la lumière du soleil en électricité. Un module PV solaire avec un rendement de 12,5 % signifie qu'il convertit un huitième de la lumière solaire frappant le module en électricité.

La capacité de puissance photovoltaïque est mesurée comme la puissance maximale de sortie dans des conditions de test standardisées (STC) en « Wc » (Watts-crête). La puissance de sortie réelle à un moment donné peut être inférieure ou supérieure à cette valeur standardisée ou « nominale », selon la situation géographique, l'heure de la journée, les conditions météorologiques et d'autres facteurs. Le facteur de charge (PLF) des champs photovoltaïques solaires est généralement inférieur à 25 %, ce qui est plus faible que de nombreuses autres sources industrielles d'électricité.

Types de cellules photovoltaïques

Les cellules solaires traditionnelles sont fabriquées à partir de silicium. Elles sont généralement à plaque plate et sont généralement les plus efficaces. Les cellules nécessitent une protection contre l'environnement et sont habituellement emballées hermétiquement derrière une feuille de verre. La technologie photovoltaïque utilise les types de cellules solaires suivants :

Cellules solaires en silicium cristallin

Ce sont les cellules solaires les plus efficaces, fabriquées à partir de « silicium de qualité solaire ». Cette technologie a été développée en premier et représente aujourd'hui la majorité des applications dans les panneaux solaires. Les cellules sont faites de tranches minces (wafers) coupées soit à partir d'un monocristal de silicium (silicium monocristallin c-Si), soit à partir d'un bloc de cristaux de silicium (silicium polycristallin ou multicristallin poly-Si ou mc-Si). Les cellules à wafer monocristallin ont tendance à être chères car elles sont découpées dans des lingots cylindriques. Elles ne couvrent pas complètement un module de cellule solaire carré sans un gaspillage substantiel de silicium raffiné. Il y a généralement des espaces non couverts aux quatre coins des cellules issues de monocristal. Les cellules en silicium poly ou multicristallin sont fabriquées à partir de lingots carrés coulés, qui sont de grands blocs de silicium fondu soigneusement refroidis et solidifiés. Les cellules Poly-Si sont moins coûteuses à produire que les cellules en silicium monocristallin, mais sont moins efficaces.

Cellules solaires à couches minces

Ce sont des cellules solaires de deuxième génération, fabriquées en déposant des couches extrêmement minces de matériaux photosensibles sur un support peu coûteux tel que le verre, l'acier inoxydable ou le plastique. Les matériaux photosensibles utilisés sont le silicium amorphe et des matériaux non-silicium tels que le tellurure de cadmium (Cd-Te), le séléniure/sulfure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS). Les cellules solaires à couches minces utilisent des couches de matériaux semi-conducteurs d'une épaisseur de quelques micromètres seulement. Les coûts de production plus faibles compensent le rendement inférieur de cette technologie. Elles sont devenues populaires par rapport au silicium en wafer en raison de coûts inférieurs et d'avantages incluant la flexibilité, des poids plus légers et une facilité d'intégration. Un processus de fabrication typique de couches minces comprend : (i) le revêtement du substrat avec une couche conductrice transparente, (ii) le dépôt de la couche active par diverses techniques telles que le dépôt chimique/physique en phase vapeur, (iii) la métallisation arrière (contacts) par scribing laser ou impression sérigraphique traditionnelle, et (iv) l'encapsulation dans un boîtier verre-polymère. Les techniques rouleau-à-rouleau sont souvent utilisées avec des substrats flexibles pour réduire le temps et les coûts de production.

Autres types de cellules

Plusieurs autres technologies PV sont en développement aujourd'hui ou commencent à être commercialisées. Ce sont des cellules solaires de troisième génération fabriquées à partir de divers nouveaux matériaux, notamment des encres solaires utilisant des technologies d'impression conventionnelles, des colorants solaires et des plastiques conducteurs. Certaines nouvelles cellules solaires utilisent des lentilles ou des miroirs en plastique pour concentrer la lumière du soleil sur un très petit morceau de matériau PV à haut rendement. Le matériau PV est plus cher, mais comme il en faut très peu, ces systèmes deviennent rentables pour les services publics et l'industrie. Cependant, comme les lentilles doivent être pointées vers le soleil, l'utilisation de collecteurs à concentration est limitée aux régions les plus ensoleillées.

Tableau des rendements de conversion

Le rendement de conversion des différentes technologies est donné dans le Tableau 1. La durée de vie d'une cellule PV solaire est de 25 ans. Cependant, son efficacité et donc sa production d'énergie se dégradent avec le temps. La dégradation est de 10 % dans les dix premières années et de 10 % supplémentaires dans les 15 années suivantes.

Tableau 1 : Rendements de conversion des différentes technologies
	Rendement de conversion		Rendement en laboratoire	Surface/kW
	Cellule	Module
Unité	%		%	m²/kW
Monocristallin	16-22	13-19	24,7	7
Polycristallin	14-18	11-15	20,3	8
Silicium amorphe	4-8		10,4	15
Cd-Te	10-11		16,5	10
CIGS	9-12		20,3	10
Autres matériaux	3-5		6-12	10

Applications de l'énergie photovoltaïque solaire

Les systèmes PV solaires peuvent être installés sur les toits ou au sol. Ils peuvent être des centrales raccordées au réseau ou des systèmes hors réseau (off-grid). La connexion au réseau permet de transférer l'excès de puissance produite vers le réseau et d'importer de l'électricité quand il n'y a pas de soleil. Les systèmes hors réseau apportent l'électricité dans les zones reculées. Ils peuvent également être utilisés pour l'électrification rurale. Le PV solaire peut aussi être utilisé pour les biens de consommation. Le schéma d'une centrale PV solaire est montré dans la Fig 1.

Fig 1 Schéma d'une centrale PV solaire

Avantages de l'énergie photovoltaïque solaire

• La lumière solaire atteignant la surface de la Terre est abondante et a le potentiel de devenir la source d'énergie primaire mondiale.
• L'énergie solaire est sans pollution pendant son utilisation.
• Les installations PV ont une longue durée de vie avec très peu de maintenance.
• Les coûts d'exploitation des installations PV sont extrêmement faibles.
• L'électricité solaire raccordée au réseau peut être utilisée localement, réduisant ainsi les pertes de transport/distribution.

Inconvénients de l'énergie photovoltaïque solaire

• L'investissement initial est élevé.
• Nécessite une grande surface.
• Il n'y a pas de production d'électricité quand la lumière du soleil n'est pas disponible.
• La taille maximale de la centrale pour une centrale raccordée au réseau est limitée à 10 MW.