Les panneaux solaires photovoltaïques, appelés communément panneaux solaires, convertissent le rayonnement solaire en électricité. Mais comment fonctionnent-ils ?
Les panneaux sont généralement plats, d’une surface proche du m². Chaque panneau est constitué de cellules photovoltaïques reliées entre elles qui se présentent sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de coté (appelées également wafer). Les cellules photovoltaïques sont fabriquées avec un matériau semi-conducteur, le silicium (Si), contenu dans le sable ou le quartz. C’est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Il n’est pas toxique.
Quand un panneau photovoltaïque est exposé au rayonnement du soleil, les photons traversent les cellules photovoltaïques constituées de matériaux semi-conducteurs provoquant une réaction entre les deux couches constituantes du panneau solaire. Les électrons émis sont éjectés du matériau et circulent dans un circuit fermé produisant ainsi de l’électricité. On parle de l’effet photovoltaïque découvert fin 1839 par le physicien français Antoine Becquerel.
Comme nous l’avons dit, le silicium est un semi-conducteur. Cette propriété est indispensable à la production d’électricité. Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons. Une fois exposés au rayonnement solaire, les électrons du silicium (les charges négatives de l’atome) s’agitent dans tous les sens. Mais pour obtenir du courant électrique, ces électrons doivent circuler dans un sens bien précis, d’une borne négative vers une borne positive, en d’autres mots, d’un excès d’électrons vers un déficit d’électrons. On parle de dopage du silicium. Cela consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau.
Pour créer la borne négative, il va falloir stimuler le silicium dans la couche supérieure du panneau solaire, celle qui est directement exposée au rayonnement du soleil. Le dopage des cristaux de silicium se fera grâce aux atomes de phosphore, un élément dont les atomes possèdent davantage d’électrons que ceux du silicium. On parle de dopage de type n, comme négatif, car les électrons de charge négative sont excédentaires.
Pour créer la borne positive, il va falloir arriver à un déficit d’électrons dans la couche inférieure du panneau photovoltaïque. Ce déficit s’obtiendra grâce au dopage du silicium par les atomes de bore qui possèdent moins d’électrons que le silicium. Dans ce cas-ci, on parle de dopage de type p, comme positif, en raison du déficit d’électrons ainsi créé.
Lorsque la première couche est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p.
Une fois la borne négative et positive créées, il faut ensuite les relier avec un fil conducteur et placer sur ce fil un appareil électrique, par exemple une ampoule.
Dès qu’il y a du soleil, les électrons du silicium se mettent à circuler de la borne négative vers la borne positive, en alimentant au passage l’appareil électrique. Les panneaux photovoltaïques se mettent à produire du courant électrique.
Les cellules photovoltaïques sont utilisées sous 2 formes :
• Soit la production d’électricité est simplement stockée pour une utilisation future, c’est par exemple le cas pour une maison isolée qui se situe loin d’un réseau électrique.
• Soit l'installation solaire est reliée ou connectée au réseau (ERDF pour la France) qui permet de consommer l'électricité dont on a besoin et/ou de la revendre, dans le cas d'un excès de production.
Il est important de préciser que c’est bien le rayonnement solaire qui est nécessaire au fonctionnement du panneau photovoltaïque afin qu’il produise de l’électricité, et non la chaleur du soleil. Au contraire, l’efficacité des panneaux diminue lorsque la température augmente. C’est pour cette raison qu’il existe peu d’installations en milieu désertique. Pour tirer profit de l’énergie solaire dans ces pays, on installe plutôt des installations solaires thermodynamiques dont le rendement croît, lui, avec la température.
Le photovoltaïque fonctionne partout en France. Certes, la couverture nuageuse et l’inclinaison du soleil vont diminuer le rendement des cellules photovoltaïques, mais elles continueront à produire de l’électricité. Pour mesurer le rendement d’une installation photovoltaïque, il faudra tenir compte de sa localisation : l’ensoleillement n’est pas le même partout dans l’Hexagone. Il faudra également prendre en compte la superficie disponible pour l’installation, l’orientation du toit, son inclinaison. On peut installer les panneaux sur les toits, les façades, dans les jardins, sur les pergolas des parkings, etc. Lisez à ce propos notre guide d’achat photovoltaïque.
C’est l’Allemagne qui détenait le 1er rang des producteurs européens d'électricité photovoltaïque en 2013, devant l'Italie et l'Espagne. En 2012, l'Allemagne était également au 1er rang mondial pour la production d'électricité solaire avec 26,8 % du total mondial. Et pourtant, ce pays n’est pas réputé pour son climat tropical !