Qu'est-ce que le solaire photovoltaïque ?
1) Historique

L'effet photovoltaïque est découvert dès 1839 par Antoine Becquerel, mais il faudra attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique. En effet son mécanisme n'est explicité qu'en 1912 par Albert Einstein. Les premiers progrès significatifs sont obtenus dans les années cinquante, avec la fabrication de la première cellule au silicium.

Le premier débouché commercial des photopiles est offert par les programmes spatiaux. En effet, l'équipement des satellites en panneaux solaires permet de développer cette technique. Les recherches d'après guerre ont permis d'améliorer leurs performances et leur taille mais il faudra attendre la crise énergétique des années soixante-dix pour que les gouvernements et les industries investissent dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.

Aujourd'hui, les laboratoires de recherche et les industries travaillent en collaboration pour développer de nouveaux concepts ou de nouveaux procédés susceptibles d'améliorer les performances électriques et de réduire les coûts des cellules solaires. L'industrie des cellules solaires a atteint désormais une certaine maturité et développe sa technologie propre.

2) Principe de fonctionnement

L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable permettant de produire de l'électricité par transformation d'une partie du rayonnement solaire. C'est dans un module solaire ou panneau solaire que sont intégrées des cellules photovoltaïques. Celles-ci sont généralement constituées de silicium qui est un matériau semi-conducteur. Les photons (particules de la lumière) sont capables de déloger les électrons de certains atomes d'éléments semi-conducteurs et de produire du courant électrique.

Schéma principe de fonctionnement

La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de 2 couches de Silicium qui sont polarisées différemment :

• Une couche supérieure chargée négativement car elle possède plus d'électrons du fait d'un ajout d'atomes de Silicium chargés négativement. On dit que cette couche est dopée négativement.
• Une couche inférieure chargée positivement car elle possède moins d'électrons du fait d'un ajout d'atomes de Silicium chargés positivement. On dit que cette couche est dopée positivement.

Lorsqu'un photon de lumière arrive sur la couche chargée négativement (couche supérieure), il crée une rupture entre un atome de Silicium et un de ces électrons. L'électron ainsi libéré va chercher à rendre la seconde couche neutre. Pour cela il va passer de la première couche qui est chargée négativement à la seconde couche qui elle est chargée positivement. Ce déplacement d'électrons va donner une différence de potentiel entre les deux couches. Ceci va donc former du courant électrique.

Schéma production électricité
 

Il existe 3 types de cellules photovoltaïques:

Cellule monocristalline
Les cellules monocristallines qui ont un rendement élevé (15 à 22%) du fait du meilleur traitement du Silicium. Cependant leur coût de fabrication est élevé. Elles sont utilisées dans les installations solaires.

Cellule polycristalline
Les cellules polycristallines qui ont un rendement moyen (10 à 15%) du fait d'un traitement du Silicium moins important. Leur coût de fabrication est donc moins élevé. Elles sont utilisées dans les installations solaires. Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleure qualité prix).

Cellule amorphe
Les cellules amorphes ont un rendement inférieur aux précédentes (5 à 8%). Leur coût est moins élevé que les précédentes. Elles sont principalement utilisées pour les petits objets vendus dans le commerce.

3) Ensoleillement

Le rendement d'un module photovoltaïque exprime le pourcentage d'énergie lumineuse en provenance du soleil qui est converti en électricité. Il dépend donc principalement de la puissance du panneau solaire, de l'intensité de l'ensoleillement, du nombre d'heures d'exposition au soleil et aussi de l'angle d'orientation du panneau solaire.

La puissance délivrée par un système solaire varie donc en fonction de l'ensoleillement reçu par le module solaire. Et donc de la localité et de l'inclinaison de ceux-ci. L'unité de mesure pour quantifier la ressource solaire journalière est le kW/m²/jour.

Nous savons que l'énergie solaire reçue sur la Terre est 15 000 fois supérieure à la quantité d'énergie consommée dans le monde.

Ainsi, capter 0,01% de cette énergie pourrait théoriquement permettre de stopper net la production de toutes les autres énergies (pétrole, gaz, charbon,…).

Pour subvenir aux besoins de la France en électricité il faudrait installer 5 500 km² de panneaux solaires. Une telle installation ne représente qu'un pour-cent du territoire français. La surface bâtie en France étant de plus de 10 000 km², il suffirait alors de couvrir la moitié des toits de panneaux solaires.

En couvrant 1 % du territoire de panneaux solaires on pourrait donc théoriquement produire toute l'électricité utilisée en France.

4) Avantages

• Haute fiabilité, l'installation ne comporte aucune pièce mobile : appropriée aux région isolées (raison de son utilisation sur le engins spatiaux).
• Caractère modulaire des panneaux permettant un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissance (milli Watt au Mega Watt).
• Coût de fonctionnement très faible vu les entretiens réduits et il ne nécessite ni combustible, ni transport, ni personnel hautement qualifié.
• Qualité sur le plan écologique : le produit fini est non polluant, silencieux et n'entraînent aucune perturbation du milieu si ce n'est l'occupation de l'espace pour de grandes installations.
• Le soleil fournit une alimentation quasi illimitée en énergie solaire.
• L'utilisation de l'énergie solaire supplante l'énergie classique. Cela permet de diminuer de façon significative les émissions de gaz à effet de serre.
• Le solaire est un marché inexploité.
• En résumé, le solaire est avantageux pour son caractère renouvelable décentralisé, par sa simplicité et sa modularité.
• L'énergie peut être revendu à EDF à un prix d'environ 6 fois à celui que l'on achète.

5) Conclusion

Le solaire photovoltaïque est certainement l'énergie de demain.
En effet la filière photovoltaïque d'utilisation de l'énergie solaire entre dans sa phase de maturité. Les chercheurs visent à améliorer le rendement des cellules photovoltaïque et à abaisser leur coût de production afin d'étendre leurs applications au delà des spécificités liées à l'isolement des sites et au domaine spatial, et de les rendre compétitives par rapport aux sources traditionnelles d'énergie. De plus le solaire photovoltaïque comme toute énergie renouvelable utilise une énergie inépuisable (le soleil), ce qui n'est pas rien pour notre planète. Les systèmes photovoltaïques symbolisent à la fois le modernisme et les préoccupations environnementales. Toutefois la pose et l'achat de panneaux solaires photovoltaïques restent assez chers pour des particuliers même si ces derniers possèdent désormais de plus en plus de subventions.

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