Les panneaux solaires photovoltaïques le silicium

Un panneau photovoltaïque est généralement composé de plusieurs cellules. Le composant essentiel d'une cellule est un matériau semi-conducteur le silicium. Pour produire du silicium, le sable est chauffé à 1700 °C dans des fours où il est mis en réaction avec du carbone.

Qu'est-ce que le silicium ?

Le produit de cette réaction est appelé silicium métallurgique. Le silicium est un matériau produit par l'industrie métallurgique à partir de sable ou de quartz, riches en silice. Ces matières contiennent encore de 0,5 à 2 % d'impuretés (fer, calcium, etc.), qu'il convient ensuite d'éliminer par réaction chimique.

Le photovoltaïque peu consommateur de sable

L'industrie du panneau photovoltaïque représente une part infime du sable extrait (environ moins de  1 % de la consommation mondiale de silicium). La majeure partie du silicium sert à la production d'alliages métalliques, à l'industrie automobile, à la production de silicone, etc. 

Ci-dessous, le minerai de silicium servant à l'élaboration des panneaux photovoltaïques. Photo Picbleu®

Comment se présente le silicium ?

• Les industries chimiques livrent leur silicium aux fabricants de cellules photovoltaïques qui utilisent différents procédés pour faire fondre ce silicium et lui donner la forme souhaitée.
• Le silicium est soit étiré en un gros cylindre de cristal homogène (monocristallin), soit fondu dans un creuset pour donner un lingot (polycristallin), soit étiré en fin ruban (polycristallin).
• Ces lingots ou rubans sont sciés en très fines plaquettes (130 à 300 microns d'épaisseur).
• Une des faces de la plaquette est « sensibilisée » par une matière comptant des électrons excédentaires (phosphore) par rapport au silicium, l’autre face par un élément déficitaire en électrons (bore).
• La cellule est ainsi polarisée.
• Elle est recouverte sur sa face arrière d'une couche d'aluminium et sur la face exposée au soleil d'une couche antireflet, qui donne cet aspect caractéristique bleu au silicium polycristallin.
• Sous l'effet de la lumière du soleil (les photons), les électrons sont délocalisés et migrent d'une polarité à l'autre.
• Des fils métalliques disposés sur les cellules canalisent et collectent ces électrons pour générer du courant électrique.
• Pour résister pendant plus de 25 ans à l'humidité, les cellules sont hermétiquement recouvertes d'une matière plastique : l'EVA (éthylène-acétate de vinyle).
  
  

Selon le type de module photovoltaïque :

•  soit les cellules sont prises entre deux plaques en verre,
•  soit les cellules sont placées entre une plaque de verre et une feuille de Tedlar (fluorure de polyvinyle).
  
  

Dans tous les cas, l'ensemble des composants est généralement fixé dans un cadre d’aluminium.

Monocristallin polycristallin amorphe ? 

Il existe 3 types de silicium : monocristallin, polycristallin, amorphe. Il faut préférer le monocristallin, plus cher, mais plus performant.

Le silicium monocristallin

• Le silicium d'abord fondu se solidifie en formant une plaque de cristal uniforme de grande taille qui est découpée en fines tranches qui serviront à la fabrication des cellules photovoltaïques.
• Un panneau de silicium monocristallin se reconnaît à sa couleur noire uniforme.
• Les cellules photovoltaïques monocristallines offrent le meilleur rendement grâce à leur tension supérieure (à ensoleillement égal).
• Les panneaux solaires silicium monocristallin sont plus coûteux que d’autres, mais affichent des performances supérieures de 18 à 24 %. (environ 3 % supérieur à son concurrent polycristallin)
  

Avantages

•  un rendement supérieur entre 18 et 24 %;
•  un fonctionnement optimal (même dans les régions froides et ensoleillées comme l'Alsace).
•  une bonne résistance à la chaleur,
•  une excellente tenue dans le temps (données constructeur jusqu'à 50 ans),
•  un bilan neutre pour l'environnement,
•  des panneaux facilement recyclables.
  
  

Inconvénients

•  un coût de production plus élevé
•  un prix de vente logiquement plus élevé.
  
  

Le silicium monocristallin

• Le silicium polycristallin appelé également multicristallin est élaboré à partir de résidus de silicium monocristallin.
• Les chutes de silicium sont fondues à haute température dans un creuset afin de créer une masse homogène.
• Le bloc de 150 à 200 kg une fois refroidi est découpé verticalement puis horizontalement pour former des plaquettes.
• Les cellules polycristallines offrent un rendement inférieur aux cellules monocristallines et leur efficacité varie de 12 à 21 %.
• Un panneau de silicium monocristallin se reconnaît à son aspect bleuté. (avec des formes variables créées par les reflets de la lumière sur les différents cristaux).

Avantages

• Produit environ 100 Wc/m2
• Son rendement est de 9 à 11 %
• moins cher que le monocristallin
• meilleur foisonnement (c'est-à-dire la différence de volume entre le volume du chassis et le volume des cellules) dans un module (cellule carrée).
  
  

Inconvénients

• rendement plus faible que le monocristallin
• Produit moins d'électricité par faible éclairement ou lorsque le soleil est caché par les nuages

Le silicium amorphe

Relativement moins onéreux à fabriquer et n'offrant qu’un faible rendement de 5 à 7 % de couleur gris foncé, il est surtout utilisé pour des applications autres que les panneaux photovoltaïques.(Calculatrices, montres).
Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par un procédé de dépôts chimiques sous vide de plusieurs gaz par PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). De couches minces sont déposées par sublimation grâce à un état gazeux.

Avantages 

•  Demande peu de luminosité (éclairage artificiel entre 20 à 3000 lux)
•  fonctionne par temps couvert,
•  La moins chère des autres techniques,
•  Son mode de fabrication permet de proposer des applications sur supports souples.
  

Inconvénients 

•  Un rendement faible même en plein soleil (5 % à 7 %),
•  Une perte de rendement avec le temps,
•  Une production faible environ 60 Wc/m2.
  

Composition d'un panneau solaire 

De quoi est composé un panneau solaire photovoltaïque ?

• Un panneau photovoltaïque (appelé également module) est généralement composé de plusieurs cellules, assemblées en série pour atteindre une tension d'au moins 12 volts (chaque cellule délivre une tension de 0,5 volt).
• Le composant essentiel d'une cellule est un matériau semi-conducteur.
• Pour l'énorme majorité des panneaux destinés aux particuliers, ce semi-conducteur est du silicium, monocristallin (aspect uni noir) ou polycristallin (aspect d'une mosaïque bleue).

Le générateur photovoltaïque 

Qu'est-ce qu'un générateur photovoltaïque ?

• Un générateur photovoltaïque est constitué de modules photovoltaïques (assemblage de cellules photovoltaïques) et d'un onduleur.
• Le générateur produit de l'électricité sous forme de courant continu transformé en courant alternatif par l'onduleur.
• Ce courant alternatif est identique à celui du réseau dans lequel il est injecté.

L'optimisation de la position et de l'inclinaison des capteurs est primordiale

Pour son installation photovoltaïque, il faut connaître les principaux angles de position du soleil pour optimiser la position et l’inclinaison des capteurs.  Photo Picbleu®

Les éléments d'une installation de panneaux solaires photovoltaïques

• Panneaux solaires
• Onduleur
• CMP (Coffret Mesure Protection)
• Compteurs
• Flux électrique
• Réseau