La production d’électricité par les panneaux solaires photovoltaïques est associée aux propriétés des semi-conducteurs, qui lorsqu’ ils sont percutés par les photons, mettent en mouvement un flux d’électrons.

Les photons sont des particules élémentaires qui transportent l’énergie solaire à 300000 km/s (la vitesse de la lumière) ; Albert Einstein leur donnait le nom de « grains de lumière » en 1920.

Lorsque les photons frappent un élément semi-conducteur, par exemple le silicium, ils arrachent des électrons à ces atomes. Ces électrons se mettent en mouvement de façon désordonnée en cherchant à se positionner sur d’autres « trous ».

Pour générer un courant électrique, il faut s’assurer que tous les électrons arrachés vont dans le même sens. Au niveau des panneaux solaires photovoltaïques, cela est obtenu en associant deux couches de silicium différentes : 

1. une première couche superficielle, exposée au soleil, est enrichie en atomes de phosphore qui comportent plus d’électrons que le silicium ; 
2. une deuxième couche, interne, est enrichie avec des atomes de bore qui comportent moins d’électrons. 

Ce système à double couche va alors se comporter comme une pile : le côté très chargé en électrons devient la borne négative alors que le côté moins chargé en électrons devient la borne positive. La création d’un champ magnétique va permettre la circulation des électrons arrachés par les photons qui vont migrer de la borne négative vers la borne positive. Ces électrons sont récupérés par des contacts électriques déposés à la surface des deux couches et envoyés dans le circuit extérieur sous forme d’énergie électrique. C’est ainsi que les panneaux solaires photovoltaïques génèrent un courant continu.

Ces deux couches sont encapsulées entre une couche de verre en face avant et un support inférieur rigide en face arrière par un cadre en aluminium. Le verre supérieur est recouvert d’une couche anti-reflet qui évite que trop de photons se perdent par réflexion sur les panneaux. 

Le silicium : de quoi s’agit-il ?

Le silicium est l’élément de symbole Si et de numéro atomique 14 (il possède 14 électrons). 

C’est le deuxième élément le plus présent au niveau de la croute terrestre après l’oxygène ; il représente 25,7% de la masse de la croute terrestre. 

Mais il n’existe pas dans la nature sous forme de corps simple ; il n’existe que sous forme composée, sous forme de dioxyde de silicium (SiO₂) d’origine biologique (algues diatomées ou radiolaires), sous forme minérale amorphe (le sable) ou sous forme de cristaux (quartz ou cristobalite). Il est également présent dans la composition des minéraux silicates (feldspaths, minéraux argileux, …). 

Usages industriels : sous forme amorphe (sable), la silice est utilisée depuis très longtemps pour la fabrication du verre. La découverte des propriétés de semi-conducteurs du silicium est à l’origine de son utilisation pour la fabrication de transistors électroniques et plus récemment de cellules photovoltaïques. Mais cette fabrication exige la production de silicium (à partir de SiO₂) avec des niveaux de pureté très importants (99.99999% pour les transistors de deuxième génération).

Quelle production d’électricité ?

Le rendement est le rapport entre la puissance électrique produite et la puissance lumineuse reçue. La « puissance -crête » est une donnée normative utilisée pour caractériser les cellules et modules photovoltaïques. Pour la mesurer, les panneaux solaires sont placés dans un simulateur solaire en laboratoire qui reproduit les conditions d’ensoleillement optimales : un ensoleillement de 1000 W de lumière par mètre carré (en incidence normale), à une température de 25°C. 

Les performances des panneaux photovoltaïques sont variables selon la technologie utilisée et les caractéristiques définies par le fabricant. Les modules les plus courants délivrent une puissance nominale de quelques centaines de watts sous une tension d’une trentaine ou quarantaine de volts.

En juin 2018, le magazine Photon International définissait le module standard comme un module au silicium cristallin de 60 cellules de rendement 19% encapsulées par de l’EVA, avec du verre en face avant et un film de tedlar en face arrière, un cadre aluminium, d’environ 1 m x 1,6m et d’une puissance de 280 watts-crête. Leur rendement surfacique ou rendement STC est leur puissance électrique crête par m², soit dans environ 17,5% dans ce cas (28% divisé par 1,6m²)

La puissance crète, correspond au pourcentage de la puissance solaire reçue. Si un panneau d’1 m² produit une puissance électrique de 200 W, son rendement sera de 20%. 

Le tableau suivant issu du site https://www.hellowatt.fr donne le top 3 des panneaux solaires français en 2023, classement effectué en fonction des principaux critères de performance. On constate des rendements autour de 18-21%.

Plusieurs panneaux photovoltaiques peuvent être connectés entre eux, en série ou en parallèle, de manière à délivrer la puissance et la tension désirées. La puissance totale d’un système photovoltaique (et donc l’énergie qu’il pourra produire) est directement proportionnelle au nombre de panneaux installés et à leur puissance individuelle.

Attention, les modules qui sont installés dans une même série doivent être installés dans les mêmes conditions (inclinaison, orientation, exposition), sinon la productivité de l’ensemble s’alignera sur le moins ensoleillé des modules avec un risque de perte de productivité (voir exemple installation solaire domestique).

Vieillissement des modules photovoltaiques

La durée de vie d’un panneau photovoltaïque correspond à la période pendant laquelle il va produire de l’électricité à un niveau satisfaisant. Il est communément admis que les modules sont fonctionnels pendant 20 à 30 ans. 

La plupart des panneaux bénéficient d’une garantie-constructeur de 20 ans, 25 ans pour certains (voir tableau top 3 panneaux solaires français et publicités Systovi ci-dessous).

Cette fonctionnalité s’accompagne d’un vieillissement et d’une lente dégradation de la productivité des modules. Celle-ci est liée à la décoloration et la délamination de l’encapsulant menant à une baisse moyenne de puissance de 0.5 à 0.6% par an. Les fabricants affichent aussi une garantie de rendement attendu à 25 ans, souvent compris entre 80 et 87% (voir tableau top 3 panneaux solaires français et publicité Voltech ci-dessous ).

Les modules de la première installation photovoltaïque de France raccordée au réseau, mise en service par l’association HESPUL en 1992 ont été testés. Cette étude, réalisée par les laboratoires CEA de l’Institut National de l’Energie Solaire (INES) et l’organisme de certification CERTISOLIS en 2012, conclut que les modules n’ont perdu que 8.3% de leur puissance initiale après 20 ans de fonctionnement.

Recyclage des panneaux solaires 

Voir article dédié.

Empreinte carbone des panneaux photovoltaiques

Si les panneaux photovoltaïques contribuent à la fourniture d’électricité renouvelable « vertueuse », leur fabrication/production n’est pas dénuée d’émissions de CO₂.

Voici l’empreinte carbone du photovoltaïque déterminée par l’ADEME (Agence de la transition écologique) en 2023, en prenant en compte la part de mix électrique utilisée pour la production du module :

• 43,9 gCO₂eq/kWh pour un mix électrique chinois ;
• 32,3 gCO₂eq/kWh pour un mix électrique européen ;
• 25,2 gCO₂eq/kWh pour un mix électrique français.

Bien sûr, cette empreinte carbone est à mettre en perspective avec les autres sources d’énergie utilisées ; elle demeure très inférieure à celle des produits pétroliers ou du charbon :