Les panneaux photovoltaïques sont de plus en plus présents dans notre quotidien, notamment sur les toits de nos maisons ou encore les parkings. Ils permettent de produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil, sans émettre de gaz à effet de serre. Les installations solaires ont donc un réel intérêt écologique et économique. Mais comment fonctionnent ces dispositifs ? Voici une explication simple pour les débutants.
La composition d’un panneau solaire photovoltaïque
Un panneau solaire est composé de plusieurs cellules photovoltaïques. Ces cellules sont généralement fabriquées en silicium, un matériau semi-conducteur qui peut conduire l’électricité sous certaines conditions. Le silicium est présent en abondance sur Terre, ce qui en fait une ressource intéressante pour la production d’énergie solaire.
Le silicium : un matériau clé
Le silicium est un matériau dit « semi-conducteur », ce qui signifie qu’il peut conduire l’électricité selon certaines conditions. Pour cela, on dope le silicium avec des impuretés, c’est-à-dire que l’on ajoute d’autres éléments chimiques au silicium pur. On distingue deux types de dopages :
- Le dopage N : ajout de phosphore, un élément possédant plus d’électrons que le silicium. Cela crée une zone riche en électrons, appelée « zone N ».
- Le dopage P : ajout de bore, un élément possédant moins d’électrons que le silicium. Cela crée une zone pauvre en électrons, appelée « zone P ».
Lorsque l’on met en contact les deux zones dopées (N et P), il se forme une jonction PN, qui est à la base du fonctionnement des cellules photovoltaïques.
Le principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques
Lorsqu’une cellule photovoltaïque est exposée à la lumière du soleil, les photons de cette lumière viennent heurter les atomes de la cellule. Cette interaction libère des électrons dans la zone N et crée des « trous » (emplacements vides) dans la zone P. Les électrons libérés vont alors chercher à combler ces trous en passant par un circuit extérieur, créant ainsi un courant électrique. Ce phénomène est appelé effet photovoltaïque.
La tension et le courant générés par les cellules
La tension générée aux bornes d’une cellule photovoltaïque dépend de la différence de potentiel entre les zones N et P. Cette tension varie généralement entre 0,5 et 0,7 volt pour une cellule en silicium. Le courant produit, quant à lui, dépend de la surface de la cellule et de l’intensité lumineuse reçue : plus la cellule est grande et plus le soleil brille, plus le courant sera important.
Les panneaux photovoltaïques : un assemblage de cellules
Pour obtenir une tension et un courant suffisants pour alimenter des équipements électriques, il est nécessaire d’assembler plusieurs cellules photovoltaïques en série (ce qui augmente la tension) et/ou en parallèle (ce qui augmente le courant). On obtient ainsi un panneau solaire photovoltaïque, également appelé « module ».
Les différents types de panneaux solaires
On distingue plusieurs types de panneaux solaires selon les caractéristiques des cellules utilisées :
- Les panneaux monocristallins : composés de cellules en silicium monocristallin, ils offrent un rendement élevé (15 à 20 %) mais sont aussi plus coûteux à produire.
- Les panneaux polycristallins : composés de cellules en silicium polycristallin, leur rendement est légèrement inférieur (13 à 16 %) mais ils sont moins chers à fabriquer.
- Les panneaux amorphes ou fins films : utilisant des cellules en silicium amorphe ou d’autres matériaux semi-conducteurs, leur rendement est plus faible (5 à 10 %) mais ils sont moins sensibles aux variations de température et peuvent être intégrés dans des surfaces flexibles.
Les installations solaires complètes
Pour produire de l’électricité à partir de panneaux solaires, il est nécessaire d’installer un système complet incluant :
- Une structure de fixation pour les panneaux (toiture, sol, façade…)
- Un onduleur pour convertir le courant continu généré par les panneaux en courant alternatif compatible avec le réseau électrique ou les appareils domestiques
- Des câbles et protections électriques
- Eventuellement, un dispositif de stockage (batteries) si on souhaite être autonome en énergie ou assurer une alimentation continue en cas de coupure réseau
Dans certains cas, des systèmes de suivi du soleil (trackers) peuvent être installés pour optimiser la production d’énergie en faisant suivre l’orientation des panneaux à la course du soleil.
En résumé, les panneaux photovoltaïques permettent de convertir la lumière du soleil en électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui se produit dans les cellules composées de silicium dopé. Les caractéristiques des cellules et leur assemblage déterminent les performances des panneaux solaires. L’intérêt écologique et économique des installations solaires fait de cette technologie une solution d’avenir pour la production d’énergie renouvelable.