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Les cellules solaires sont composées de semi-conducteurs tels qu’ils sont utilisés lors de la fabrication de puces informatiques. Ces semi-conducteurs transforment la lumière en électricité. L'électricité est collectée par des contacts métalliques. Le courant continu ainsi produit peut être transformé en courant alternatif au moyen d’un onduleur et ainsi directement injecté dans le réseau d’électricité public. Dans la plupart des cas, les semi-conducteurs sont composés de silicium, l’élément le plus fréquent sur la planète après l’oxygène.
L'évolution a permis de développer une grande diversité de technologies pour les cellules solaires. On distingue des cellules solaires cristallines et en couches fines.
Pour la production de cellules monocristallines on utilise un matériau semi-conducteur très pur. De grandes colonnes monocristallines sont tirées d’un silicium de grande pureté et ensuite sciées en fines plaques. Ce mode de production garantit un rendement performant.
La production de cellules polycristallines est moins onéreuse. Pour leur élaboration, du silicium liquide est coulé dans de grands blocs, qui sont ensuite sciés en plaques. A la solidification, des structures de cristal de différentes grandeurs se forment, avec des défauts dans les bords. Ceux-ci réduisent quelque peu le rendement des cellules solaires.
On parle d’une cellule à couche fine, lorsque les cellules sont composées d’un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est déposée une fine couche de silicium ou d'un autre semi-conducteur. L’épaisseur des couches est inférieure à 1 µm (épaisseur d’un cheveu humain: 50-100 µm). La production est moins coûteuse grâce à de moindres frais en matériaux. En revanche, le rendement des cellules à couches fines est inférieur à celui des cellules cristallines. La combinaison de silicium cristallin et amorphe (à couches fines) est connue sous le nom de cellules mixtes.
Outre le silicium, d’autres matériaux sont utilisés pour la production de cellules à couches fines. Parmi ceux-ci figurent le tellurure de cadmium (CdTe), le séléniure de cuivre et d’indium (CIS) et le séléniure de cuivre, indium et gallium (CIGS). Grâce à des coûts spécifiques réduits par kWc, les cellules CdTe en particulier étaient longtemps très répandues, surtout aux Etats-Unis et en Allemagne, malgré leur rendement nettement moins élevé que celui des cellules cristallines. Aujourd'hui, d'autres technologies dominent le secteur. En Suisse, les modules au CdTe ne jouent aucun rôle.
Quant aux cellules à base de colorants, basées sur un principe qui diffère totalement de celui des cellules conventionnelles, leur utilisation commerciale n'en est qu'à ses débuts. Elles ont été mises au point à l'EPFL sous la responsabilité du Prof. M. Grätzel.
Les cellules, reliées en série, constituent un module solaire. Protégées des intempéries par une enveloppe de verre et de plastique, elles constituent les éléments de l’installation permettant de transformer le rayonnement solaire en courant électrique. La plupart des modules actuels sont dotés de 60 cellules, présentent une puissance de 180 à 250 watts et une surface comprise entre 1,0 et 1,8 m2.
Le rendement des modules dépend de la technologie utilisée pour la fabrication des cellules. Il ne doit pas être confondu avec le rendement global d'une installation photovoltaïque, légèrement inférieur.
Matériaux Rendement du module en condition de test standard (modules disponibles dans le commerce). Source: Häberlin 2010
Silicium monocristallin
16 -24 %
Silicium polycristallin
14 - 18 %
Silicium amorphe
6 - 8 % Microcristallin 8 - 12 % Séléniure de cuivre et d'indium (CIS) 10 - 12 % Séléniure de cuivre, indium et gallium (CIGS) 11-14 %
La puissance des modules est généralement indiquée en Watt peak (Wp). Elle décrit la puissance nominale en conditions de test standard.
Une installation photovoltaïque située sur le Plateau suisse et placée de façon optimale fournit 1000 kilowattheures (kWh) pour 1000 Wp par an. Dans les mêmes conditions externes, la production d’électricité pour 1 m2 de modules photovoltaïques se situe entre 140 et 170 kWh par an (modules cristallins) resp. entre 70 et 90 kWh (modules à couches fines).
Modules certifiés
Les modules photovoltaïques sont testés selon des normes internationales reconnues.
Sont utilisées le plus souvent les normes suivantes :
- Modules cristallins : IEC 61215
- Modules à couches fines : IEC 61646
- Modules PV safety qualification: IEC 61730
L'onduleur constitue le relais entre le générateur PV et le réseau à courant alternatif. Sa fonction fondamentale consiste à transformer le courant continu (CC) produit par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif (AC) et à adapter la fréquence et la tension de celui-ci au réseau du bâtiment. On distingue entre autres les onduleurs modulaires, les onduleurs « string » (une ou plusieurs chaînes par onduleur) et les onduleurs centralisés (pour grandes installations). Les onduleurs modernes disposent d'un grand répertoire de fonctionnalités pour soutenir les réseaux et favoriser la consommation propre. Ils permettent le réglage automatique ou à distance du facteur de puissance (soit consommer la puissance réactive ou alimenter le réseau), le chargement ou la déconnexion, ainsi que d'autres fonctions.
En plus d'une gestion de la charge, les batteries permettent également d'augmenter la part de la consommation propre d'énergie solaire auto-produite. Une consommation propre atteignant les 60% peut ainsi être obtenue dans une maison individuelle. On utilise principalement à cet effet des batteries au plomb et aux lithium-ions. De plus amples informations sont disponibles ici.
Jusqu'ici, les batteries étaient utilisées surtout pour les installations PV en îlot. A l'heure actuelle, elles restent peu répandues pour la connexion au réseau en raison de coûts d'investissement élevés. La baisse rapide des coûts des batteries escomptée pourra bientôt faire avancer leur utilisation.
Outre les accumulateurs destinés à des ménages individuels, les batteries couvrant des quartiers entiers figurent elles aussi parmi les options futures (voir projet de recherche ABB et EWZ, infos).
Etude de l'OFEN sur les batteries en Suisse
Une étude de l'OFEN analyse les besoins, la rentabilité et les conditions cadres du stockage dans le contexte de la stratégie énergétique 2050 : Accumulateur d’energie en Suisse