Le solaire vous intéresse, mais vous êtes « amorphe » quand on vous parle de panneaux, d’onduleurs, de cellules polycristallines et monocristallines ? Pas de panique, on vous explique – aussi simplement que possible – de quoi il retourne. On vous propose même des exemples de calculs de rendement. 

Le photovoltaïque et les panneaux solaires, on vous en a déjà parlé sur Next (INpact), que ce soit pour des installations de grande envergure, le rendement, la route solaire, la rentabilité et les kits à installer soi-même. On vous l’a déjà annoncé à plusieurs reprises, ce sujet va prendre de l’importance au fil des semaines et des mois. 

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Version courte : du Soleil et paf de l’électricité

Avec un peu de retard par rapport à nos habitudes, on vous propose aujourd’hui une explication technique et accessible du principe de fonctionnement des panneaux photovoltaïques (PV). « C’est facile », nous dirait Captain Obvious : « ils permettent de transformer le rayonnement solaire en électricité ». Fin de la partie ? Pour la réponse basique, oui. Maintenant, il est temps de mettre un peu plus les mains dans le cambouis. 

On commence déjà par une précision sur les termes employés. On parle parfois de panneaux solaires pour désigner les panneaux photovoltaïques. Sans être fausse, cette dénomination est moins précise, car on trouve deux grandes familles dans les panneaux solaires : le photovoltaïque (le rayonnement solaire est transformé en électricité) et le solaire thermique (le rayonnement est transformé en chaleur et transféré à l’aide d’un fluide caloporteur).

Et maintenant, place à la version longue

Un peu d’histoire déjà sur le terme « photovoltaïque » : il s’agit d’un assemblage de « photos » en grec ancien (qui veut dire lumière, clarté) et du nom de famille d’Allessandro Volta, l’inventeur de la pile électrique en 1800. Il a aussi donné son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt.

« L’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le Français Edmond Becquerel, désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière du soleil (et non sa chaleur) en électricité », explique Photovoltaique.info, édité par l’association Hespul, avec le soutien de l’ADEME.

Peut-être avez-vous déjà entendu parler « d’effets photoélectriques » ? C’est la présentation générale d’un phénomène physique : « l’émission d’électrons par une surface (souvent métallique) lorsque celle-ci est frappée par des rayons lumineux, composés de photons », explique EDF. L’effet photovoltaïque est un exemple des effets photoélectriques, exactement comme les panneaux photovoltaïques sont un type de panneaux solaires.

C’est bien beau tous ces « effets », mais l’électricité vient d’où ? 

Pour répondre à cette question, il faut introduire la notion de cellule : « Dans la plupart des cas, celle-ci est composée de deux fines couches : l’une de silicium en surface, l’autre de bore, deux matériaux rares ». D’autres matériaux sont en cours de développement, mais c’est une autre histoire sur laquelle nous reviendrons bientôt. 

Les photons de la lumière viennent frapper la première couche et, lorsque l’énergie est suffisante, un électron (charge négative) s’arrache du silicium en surface. Cela « crée un trou dans le matériau (charge positive). C’est cette fraction qui crée le courant électrique, grâce au mouvement entre les deux charges », détaille EDF.

En théorie, chaque photon frappant la surface d’une cellule pourrait permettre de produire de l’électricité en retour. En pratique néanmoins, on est très loin de cette situation parfaite. C’est en effet là qu’intervient la notion de rendement, c’est-à-dire la quantité d’énergie produite par rapport aux photons reçus. Il est généralement aux alentours de 20 % sur les panneaux actuels, mais peut varier de ± 5/10 % suivant les technologies. 

La température, l’inclinaison des panneaux, l’orientation et la technologie des cellules sont autant d’éléments qui peuvent influencer sur le rendement, sans parler de l'emplacement géographique. Et cela pourrait être surprenant de prime abord, mais « à partir d’une température trop élevée (> 25 °C), le rendement d'une installation photovoltaïque est en baisse ». Quand on vous dit que ce sont les rayons du Soleil qui importent, non la chaleur !

Amorphe, polycristallin et monocristallin : késako ?

Pour les cellules, on retrouve actuellement trois technologies de silicium : amorphe, polycristallin et monocristallin.

Amorphe. Cette technologie permet de réaliser des panneaux solaires fins, légers et pliables. Ils « sont composés de silicium amorphe  [non cristallisée, ndlr] et représentent environ 10 % du marché. Comparé aux panneaux à cellules cristallines, le panneau silicium amorphe est 100 à 150 fois plus fin. Il se distingue aussi par sa souplesse, sa légèreté et son aspect pliable. D’ailleurs, il est régulièrement vendu sous forme de rouleaux à découper ».

Plusieurs avantages, selon EDF. Tout d’abord, c’est le panneau le moins coûteux à fabriquer. De plus, « il n’utilise que 1 % de la quantité de silicium nécessaire à un panneau solaire "classique" » et « le silicium ne subit aucun processus de purification ». Cette technologie est ainsi « peu énergivore et elle est respectueuse de l’environnement ».

Un panneau solaire amorphe a « aussi l'avantage de produire de l’énergie par temps nuageux et même grâce à une lumière artificielle ». Dans les points négatifs : le très faible rendement par rapport aux cellules cristallines et une durée de vie limitée : « environ 10 ans… et au fil des années, il perd en efficacité ».

Polycristallin et monocristallin. Les panneaux solaires polycristallins sont « fabriqués à partir de nombreux cristaux de silicium aux tailles diverses et variées », alors que les monocristallins sont conçus « avec un seul cristal de silicium ». Une petite différence pour de grandes conséquences. 

La première est esthétique : la couleur des polycristallins « n’est pas homogène et se rapproche du bleu foncé », tandis que les monocristallins sont d’un noir profond. De plus, les polycristallins ont un rendement inférieur aux monocristallins. On est généralement entre 13 et 18 % pour les premiers, contre 16 à 25 % pour les second.

Dernière différence et pas des moindres : « Puisque le panneau solaire polycristallin utilise peu de silicium pur, sa fabrication est moins énergivore et moins complexe que pour un panneau solaire monocristallin. Ce processus de fabrication, plus économique et écologique, se répercute sur le prix ».

Maintenant que l’on a vu le fonctionnement des cellules, la suite est simple : on assemble les cellules par paquets pour former un panneau photovoltaïque de dimensions variables suivant les constructeurs et les besoins. Il faut ensuite relier le panneau à un (micro)onduleur qui se charge de convertir le courant continu récupéré des cellules pour sortir du 230 volts en alternatif, avec une puissance plus ou moins importante selon la production. Nous avons déjà expliqué comment cela fonctionnait dans une précédente actualité. 

Rendement et empreinte environnementale

Pour résumer : les panneaux amorphes sont les moins chers et ceux dont la fabrication est la plus écologique, mais ils ont le plus faible rendement. Viennent ensuite les polycristallins et enfin les monocristallins qui ont le meilleur rendement, mais qui sont aussi les plus chers et ceux avec la plus grosse empreinte environnementale. Les monocristallins sont les plus répandus. 

Selon SolairePV, « l'efficacité des modules a augmenté d'environ 0,5 % par an au cours des dernières années grâce à une évolution de la technologie des cellules ». Le site ajoute que, en 2023, « les meilleurs modules commerciaux ont des rendements supérieurs à 22 %. Les cellules solaires records ont atteint une efficacité de 26,8 % ». Précision utile, SolairePV désigne à la fois un site et des guides, édités avec le soutien du CNRS, du Centre de Nanosciences de de Nanotechnologies (C2N), de l’Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF) et de la Fédération de Recherche Photovoltaïque (FedPV).

En France, selon cette étude, un « module en silicium monocristallin fournit l'énergie qui a été nécessaire pour sa fabrication et son cycle de vie en un an ». Il est également précisé que ce temps de « retour énergétique » a été divisé par deux entre 2015 et 2020.

On y apprend par ailleurs qu’une « installation PV sur toiture à base de panneaux en silicium monocristallin émet en moyenne 32 gCO₂eq/kWh ». Comme c’est le cas avec les terminaux (smartphones, tablettes…), les émissions ont majoritairement lieu lors de la fabrication des panneaux (71 %).

SolairePV précise que le silicium des cellules solaires est très abondant, « mais seuls certains filons de quartz très pur sont actuellement exploités pour la production de silicium de grade solaire. La quantité utilisée dans les panneaux PV a néanmoins diminué de 16 à 2,5 g/W entre 2004 et 2022 ».

Certains métaux utilisés pour la fabrication des modules en silicium « ne sont disponibles qu’en quantité limitée (argent, indium), ce qui obligera l’industrie à adapter ses technologies, par exemple en remplaçant l’argent par le cuivre ».

Sortez la calculatrice !

Mettons un peu cela en perspective avec des chiffres. Dans l’espace, juste au-dessus de l’atmosphère terrestre, l’irradiation moyenne est d’environ 1 370 watts/m² (cela peut varier un peu suivant les estimations). Voilà pour ce que nous envoie le Soleil. Mais ce que l’on récupère sur Terre, dans les cellules et enfin sur les prises de courants est bien inférieur.

Premier point, l’albédo terrestre : « la quantité de lumière solaire incidente réfléchie par une surface », précise le CNRS. Selon Eduscol (et d’autres sources concordantes), « l’albédo terrestre est voisin de 30 % (dont 4 % seulement sont imputables aux réflexions à la surface terrestre) : 70 % de la puissance solaire incidente est absorbée par l’atmosphère et la Terre, le reste repart vers l’espace ».

Un rapide calcul nous amène donc à 959 watts/m² sur Terre, dans des conditions idéales : de jour (merci Sherlock), en été, sans nuage et à midi. Pas très vendeuse, cette valeur est souvent arrondie à 1 000 watts/m². Voilà pour le maximum d’énergie qui peut arriver sur un panneau solaire. 

Avec un rendement de 20 % (la moyenne actuelle des panneaux), on tombe à 200 watts/m²… mais cela ne veut pas dire grand-chose dans la pratique. En effet, on n’est pas toujours à midi, en plein été et sans nuages. 

SolairePV explique que, « sur un an, les conditions climatiques (et la nuit !) font qu’une surface reçoit moins d’énergie que si elle était tout le temps en plein soleil ». On parle de facteur de charge, qui est d’environ 15 %. De 200 watts/m² on tombe à 30 watts/an/m² (en moyenne sur un an donc). Les 1 000 watts/m² sont bien loin.

Maintenant qu’on a une moyenne sur l’année, passons à la seconde étape : on multiplie par le nombre d’heures (8 760 heures sur une année) le résultat obtenu afin d’avoir des… Wh/an/m², facile non ? (Notez le h à côté du W pour parler de Wh et pas de W). On vous épargne le calcul, mais on tombe sur 262 800 Wh/an/m², soit 263 kWh/an/m² environ.

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Voici le rendement moyen que l’on peut espérer. Il dépend bien sûr de nombreux facteurs, dont l’emplacement et l’orientation de votre installation. On ajoute entre parenthèses les revenus moyens en prenant comme base un kWh à 22,7 centimes d’euro (tarif bleu EDF) :

• Panneaux avec 10 % de rendement : 132 kWh/an/m² (29,9 euros par an et par m²)
• Panneaux avec 15 % de rendement : 197 kWh/an/m² (44,7 euros par an et par m²)
• Panneaux avec 20 % de rendement : 263 kWh/an/m² (59,7 euros par an et par m²)
• Panneaux avec 25 % de rendement : 329 kWh/an/m² (74,6 euros par an et par m²)
• Panneaux avec 30 % de rendement : 395 kWh/an/m² (89,6 euros par an et par m²)

Si vous avez 4 m² de panneaux photovoltaïque avec un rendement de 20 %, la production annuelle moyenne sera donc de 1 000 kWh environ, soit 1 MWh. La même superficie, mais avec 15 % de rendement, on descend à 788 kWh, contre 1 316 kWh avec 25 % de rendement. 

Afin de connaitre un peu plus précisément l’« irradiation anuelle » en fonction de sa ville, vous pouvez vous rendre sur le site l’Institut National de l'Énergie Solaire. À Lille – avec une inclinaison et orientation « parfaites » –, on est à 1 337 kWh/m², contre 1 687 kWh/m² à La Rochelle et 1 982 kWh/m² à Toulon, soit presque 50 % de plus qu’à Lille.

Avec des panneaux dont le rendement est de 20 %, cela nous donne respectivement 267, 337 et 396 kWh/m² sur l’année. C’est du théorique, dans la pratique c’est bien souvent inférieur compte tenu des facteurs que nous avons déjà expliqués.

On parle ici de rendement sur les panneaux, il faut ensuite prendre en compte le rendement du (micro)onduleur. Celui-ci est généralement très important, bien au-delà de 95 %. 

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Enfin, si vous vous posez la question de la place du solaire dans le mix énergétique français, voici la réponse : « En 2022, le solaire photovoltaïque a fourni 18,6 TWh, soit 4,1 % de l’énergie électrique consommée », en hausse de 1,1 point en un an. En dix ans, la production a été multipliée par quatre.