Il existe trois principaux types de panneaux solaires disponibles dans le commerce. Les panneaux solaires monocristallins, les panneaux solaires polycristallins et les panneaux solaires à base de couches minces. De nombreuses technologies prometteuses sont en cours de développement, notamment les cellules solaires organiques, les panneaux photovoltaïques à concentration, les matériaux perovskite et même des innovations à l’échelle nanométrique comme les points quantiques ou des nanofils de silicium.
Toutes ces technologies ont leurs avantages et leurs inconvénients que le consommateur doit prendre en compte lorsqu’il choisit son système solaire.☀️
En raison de ses nombreux avantages comme l’abondance et le faible coût de la matière première, le silicium cristallin est le matériau privilégié pour la production de panneaux solaires. Selon le mode de fabrication, il peut donner naissance aux panneaux solaires polycristallins, monocristallins ou à certains types de couches minces. Environ 95 % des cellules solaires vendues aujourd’hui utilisent du silicium comme matériau semi-conducteur. Le silicium est en outre non toxique et fonctionne bien avec les technologies de production établies.
Panneaux solaires monocristallins
Les panneaux solaires monocristallins sont les plus courants sur le marché. Développées dans les années 1950, les cellules solaires en silicium monocristallin sont fabriquées en créant d’abord un lingot de silicium très pur à partir d’une graine de silicium pur en utilisant la méthode de Czochralski. Le monocristal (qui est un long barreau de section circulaire) est ensuite coupé en lingots parallélépipédiques par éboutage des parties circulaires, les lingots sont ensuite tranchés en plaquettes (les wafers en anglais), qui sont des tranches de silicium d’environ 0,18 à 0,3 millimètre (0,011 pouce) d’épaisseur.
Les cellules solaires monocristallines sont plus lentes et plus coûteuses à produire que les autres types de cellules solaires (en particulier les polycristallines) car la fabrication des lingots de silicium demande une grande précision. Afin de faire croître un cristal uniforme, la température des matériaux doit être maintenue très élevée. Par conséquent, une grande quantité d’énergie doit être utilisée en raison de la perte de chaleur de la graine de silicium qui se produit tout au long du processus de fabrication. Ensuite, jusqu’à 50 % du matériau peut être perdu pendant le processus de découpe, ce qui entraîne des coûts de production, même si ce silicium de découpe est utilisé pour cristalliser de nouveaux barreaux. Pour ces raisons et jusqu’en 2019, les cellules monocristallines étaient réservées à des panneaux prémiums.
Depuis 2020, cependant, ce type de cellule solaire reste populaire pour de nombreuses raisons. Tout d’abord, malgré le léger surcoût, leur efficacité est supérieure à celle de tous les autres types de cellules solaires, car elles sont constituées d’un seul cristal, ce qui permet aux électrons de circuler plus facilement dans la cellule.
Le seul inconvénient des panneaux solaires monocristallins est leur coût (dû au processus de production). Pour tous les critères de performance, ils sont supérieurs aux autres technologies :
- Ils sont plus efficaces aux bas éclairements que les panneaux multicristallins (moins de pertes induisent un meilleur fonctionnement par temps faiblement lumineux)
- Leur production diminue moins quand la température augmente
Pour toutes ces raisons, les panneaux solaires monocristallins sont les plus populaires et le resteront encore quelques années, même si l’efficacité croissante d’autres types de panneaux peuvent séduire de plus en plus les consommateurs.
Panneaux solaires polycristallins
Comme leur nom l’indique, les panneaux solaires polycristallins sont constitués de cellules formées de plusieurs cristaux de silicium avec des orientations différentes. Ces cellules solaires de première génération sont produites en faisant fondre du silicium de qualité solaire. En le coulant dans un moule de forme parallélépipédique appelé creuset et en le laissant se solidifier. Le silicium moulé est ensuite découpé en tranches pour être utilisé dans un panneau solaire.
Les cellules solaires polycristallines étaient moins coûteuses à produire que les cellules monocristallines, car elles ne nécessitaient pas le temps et l’énergie nécessaires à la fabrication du monocristal, ni l’éboutage des parties circulaires pour obtenir un lingot parallélépipédique. Les cellules en silicium polycristallin ont tendance à disparaître du fait de la plus faible performance des panneaux qui les contiennent. En effet, les défauts inclus dans le polycristal de silicium induisent une perte de rendement de conversion de l’ordre de 2% sur une même surface par rapport à des cellules de silicium monocristallin, ainsi qu’une plus forte dégradation des performances à la chaleur ou aux bas éclairements.
Panneaux solaires à couches minces
Le coût élevé de la production de silicium de qualité solaire et les contraintes liées à l’utilisation du verre pour protéger les cellules cristallines ont conduit à la création de plusieurs types de cellules solaires de deuxième et troisième générations, appelées semi-conducteurs à couche mince. Les cellules solaires à couches minces nécessitent un plus faible volume de matériaux, utilisant souvent une couche de silicium d’un micron d’épaisseur seulement, soit environ 1/300e de l’épaisseur des cellules solaires mono et polycristallines. Le silicium est également de moins bonne qualité.
De nombreuses cellules solaires sont fabriquées à partir de silicium amorphe non cristallin. Le silicium amorphe n’ayant pas les propriétés semi-conductrices du silicium cristallin, il doit être combiné à de l’hydrogène pour conduire l’électricité. Les cellules solaires en silicium amorphe sont le type le plus courant de cellules à couches minces, et on les trouve fréquemment dans des appareils électroniques comme les calculatrices et les montres. Leurs faibles performances et longévité en exposition extérieure ne leur ont pas permis de s’affirmer dans le solaire résidentiel.
Une très fine couche de matériau semi-conducteur est déposée sur un substrat bon marché comme le verre, le métal ou le plastique, ce qui la rend moins chère et plus adaptable que les autres cellules solaires. Les taux d’absorption des matériaux semi-conducteurs choisis sont élevés, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles elles utilisent moins de matériaux que les autres cellules.
La production des cellules à couche mince peut être beaucoup plus simple et rapide que celle des cellules solaires de première génération et diverses techniques peuvent être utilisées pour les fabriquer, en fonction des capacités du fabricant et de la technologie. Les cellules solaires à couches minces comme le CIGS peuvent être déposées sur du plastique, ce qui réduit considérablement son poids et augmente sa flexibilité. Le CdTe a la particularité d’être le seul film mince dont le coût, le temps de retour sur investissement, l’empreinte carbone et la consommation d’eau sont inférieurs, sur toute sa durée de vie, à ceux de toutes les autres technologies solaires.
Cependant, les inconvénients des cellules solaires à couche mince sous leur forme actuelle sont nombreux. Le cadmium contenu dans les cellules CdTe est hautement toxique en cas d’inhalation ou d’ingestion et peut s’infiltrer dans le sol ou dans les réserves d’eau s’il n’est pas correctement traité lors de son élimination. Ce problème pourrait être évité si les panneaux étaient recyclés, mais cette technologie n’est actuellement pas aussi largement disponible qu’elle pourrait l’être. L’utilisation de métaux peu abondants comme ceux que l’on trouve dans le CIGS, le CdTe et le GaAs peut également constituer un facteur coûteux et potentiellement limitant pour la production de grandes quantités de cellules solaires à couche mince.
Autres technologies de panneaux solaires
La variété des panneaux solaires est bien plus grande que ce que l’on trouve actuellement sur le marché commercial. De nombreux nouveaux types de technologie solaire sont en cours de développement, et les anciens types sont étudiés afin d’améliorer leur efficacité et de réduire leur coût. Plusieurs de ces technologies émergentes en sont à la phase pilote des essais, tandis que d’autres ne sont éprouvées qu’en laboratoire. Voici quelques-uns des autres technologies de panneaux solaires qui ont été développés.
Panneaux solaires bifaciaux
Les panneaux solaires traditionnels étaient constitués de cellules qui ne captaient les photons que sur un seul côté du panneau. Les panneaux solaires bifaciaux ont des cellules solaires très minces qui sont actives sur les deux faces afin de leur permettre de collecter non seulement la lumière solaire entrante, mais aussi l’albédo, c’est-à-dire la lumière réfléchie par le sol en dessous d’eux. Ils peuvent avantageusement être fixés sur des tracker qui déplacent également avec le soleil afin de maximiser le temps pendant lequel la lumière solaire peut être collectée de chaque côté du panneau. Cette technologie se base sur les procédés classiques de production des plaquettes de silicium à laquelle on superpose une technologie de dépôt de couches actives semblables à la production d’écrans plats. Elle tend à se démocratiser pour les grandes centrales au sol et va apparaître de manière croissante sur le marché résidentiel.
Technologie photovoltaïque à concentration
La technologie photovoltaïque à concentration utilise des équipements et des techniques optiques tels que des miroirs incurvés pour concentrer l’énergie solaire de manière rentable. Comme ces panneaux concentrent la lumière du soleil, ils n’ont pas besoin d’autant de surface de cellules solaires pour produire une quantité égale d’électricité. Cela signifie que ces panneaux solaires peuvent utiliser des cellules solaires de meilleure qualité (meilleur rendement de conversion) à un coût global réputé inférieur. Toutefois, il faut assurer que le rayon solaire concentré soit toujours orthogonal à la petite cellule solaire, il est donc nécessaire d’y associer un système de suivi physique de la course du soleil (tracker).
Photovoltaïque organique
Les cellules photovoltaïques organiques utilisent de petites molécules organiques ou des couches de polymères organiques pour conduire l’électricité. Ces cellules sont légères, flexibles et ont un coût global et un impact environnemental inférieurs à ceux de nombreux autres types de cellules solaires. Leur longévité et leur performance sont en constante amélioration sans toutefois atteindre celles du silicium cristallin pour l’instant.
Cellules pérovskites
La structure cristalline pérovskite du matériau collecteur de lumière donne son nom à ces cellules. Elles sont peu coûteuses, faciles à fabriquer et ont une forte absorbance. Elles sont actuellement trop instables pour être utilisées à grande échelle mais ces matériaux constituent la voie la plus prometteuse pour une évolution importante des rendement de conversion dans les années à venir.
Cellules solaires à colorant
Ces cellules à couche mince à cinq couches utilisent un colorant spécial de sensibilisation pour faciliter le flux d’électrons qui crée le courant pour produire de l’électricité. Ils ont l’avantage de fonctionner dans des conditions de faible luminosité et d’augmenter leur efficacité lorsque la température augmente, mais certains des produits chimiques qu’elles contiennent gèlent à basse température, ce qui rend l’unité inopérante dans de telles situations.
Points quantiques
Cette technologie n’a été testée qu’en laboratoire, mais elle a montré plusieurs attributs positifs. Les cellules à points quantiques sont fabriquées à partir de différents métaux et fonctionnent à l’échelle nanométrique, de sorte que leur rapport production d’énergie/poids est très bon. Malheureusement, elles peuvent également être très toxiques pour les personnes et l’environnement si elles ne sont pas manipulées et éliminées correctement.
