panneau solaire

Un panneau solaire est un dispositif qui convertit la lumière du soleil en électricité grâce à plusieurs modules solaires composés de cellules photovoltaïques (PV). Les cellules PV sont constituées de matériaux qui produisent des électrons excités lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Ces électrons circulent dans un circuit et produisent un courant continu , qui peut alimenter divers appareils ou être stocké dans des batteries . Les panneaux solaires sont également appelés panneaux photovoltaïques ou panneaux solaires électriques .

Les panneaux solaires sont généralement regroupés en champs ou systèmes photovoltaïques. Un système photovoltaïque se compose d'un ou plusieurs panneaux solaires, d'un onduleur qui convertit le courant continu en courant alternatif lorsque nécessaire, et parfois d'autres composants tels que des régulateurs de charge , des compteurs ou des suiveurs solaires pour optimiser l'exposition au rayonnement solaire direct. La plupart des panneaux sont installés dans des centrales solaires ou sur des toits , et alimentent le réseau électrique.

Les panneaux solaires utilisent une source d'énergie renouvelable et propre, et réduisent les émissions de gaz à effet de serre par rapport aux énergies fossiles. Cependant, leur fonctionnement dépend de la disponibilité et de l'intensité du rayonnement solaire, ils nécessitent un entretien et leur coût initial est élevé. Les panneaux solaires sont largement utilisés dans les secteurs résidentiel, commercial et industriel, ainsi que dans l'espace , souvent associés à des batteries.

En 1839, la capacité de certains matériaux à créer une charge électrique à partir de l'exposition à la lumière a été observée pour la première fois par le physicien français Edmond Becquerel . Bien que ces premières cellules solaires fussent trop peu efficaces même pour des appareils électriques simples, elles ont été utilisées comme instrument de mesure de la lumière.

L'observation de Becquerel ne fut reproduite qu'en 1873, lorsque l'ingénieur électricien anglais Willoughby Smith découvrit que la charge pouvait être provoquée par la lumière frappant le sélénium . Après cette découverte, William Grylls Adams et Richard Evans Day publièrent « The action of light on selenium » en 1876, décrivant l'expérience qu'ils avaient utilisée pour reproduire les résultats de Smith.

En 1881, l'inventeur américain Charles Fritts créa la première cellule solaire commerciale, qu'il décrivit comme « continue, constante et d'une force considérable non seulement par exposition à la lumière du soleil, mais aussi à la lumière du jour faible et diffuse ». Cependant, ces cellules solaires étaient encore très peu efficaces pour la production d'électricité pratique, notamment par rapport aux centrales électriques au charbon .

En 1939, Russell Ohl a créé le modèle de cellule solaire utilisé dans de nombreux panneaux solaires modernes. Il a breveté son invention en 1941. En 1954, ce modèle a été utilisé pour la première fois par les laboratoires Bell pour créer la première cellule solaire en silicium commercialisable .

Évolution du prix par watt des cellules solaires conventionnelles ( c-Si ) depuis 1977

Production solaire annuelle par continent

La baisse des coûts a été le principal facteur de la croissance exponentielle récente de l'énergie solaire. Depuis 2010, le coût de l'électricité photovoltaïque a chuté de 85 % Le nombre d'installateurs de panneaux solaires a connu une forte croissance entre 2008 et 2013 Face à cette croissance, de nombreux installateurs ont dû gérer des toitures non optimales et trouver des solutions aux problèmes d'ombrage et d'orientation . Ce défi a d'abord été relevé grâce à la remise au goût du jour des micro-onduleurs , puis grâce à l'invention des optimiseurs de puissance .

Les fabricants de panneaux solaires se sont associés à des entreprises de micro-onduleurs pour créer des modules à courant alternatif, et les entreprises d'optimisation de puissance se sont associées à des fabricants de modules pour créer des modules intelligents. En 2013, de nombreux fabricants de panneaux solaires ont annoncé et commencé à livrer leurs solutions de modules intelligents.

Entre 1992 et 2023, l'utilisation mondiale du photovoltaïque (PV) a connu une croissance exponentielle. Durant cette période, il est passé d'un marché de niche, axé sur des applications à petite échelle, à une source d'électricité courante. De 2016 à 2022, la capacité et la production photovoltaïques ont enregistré un taux de croissance annuel d'environ 26 %, doublant ainsi environ tous les trois ans. Fin 2022, la capacité photovoltaïque installée cumulée dans le monde atteignait environ 1 185 gigawatts (GW), couvrant plus de 6 % de la demande mondiale d'électricité, contre environ 3 % en 2019.

La baisse du coût des panneaux solaires entraîne une augmentation de l'utilisation de l'énergie solaire dans les pays du Sud . Nombre d'entre eux dépendent d'importations coûteuses de combustibles fossiles. De nombreux foyers et entreprises se tournent vers l'énergie solaire pour réaliser des économies

Les modules photovoltaïques sont composés d'un grand nombre de cellules solaires et utilisent l'énergie lumineuse du soleil pour produire de l'électricité grâce à l' effet photovoltaïque . La plupart des modules utilisent des cellules en silicium cristallin sur plaquette ou des cellules à couches minces . L'élément structurel ( supportant la charge ) d'un module peut être la couche supérieure ou la couche inférieure. Les cellules doivent être protégées des chocs et de l'humidité. Les cellules et les modules sont généralement connectés électriquement en série , les uns aux autres, pour augmenter la tension de sortie souhaitée, puis en parallèle pour augmenter le courant et former ainsi le panneau solaire. La plupart des panneaux sont rigides, mais il existe également des panneaux semi-flexibles à base de cellules à couches minces. La puissance (en watts ) du panneau solaire est le produit de la tension (en volts ) par le courant (en ampères ) et dépend à la fois de l'ensoleillement et de la charge électrique connectée au panneau. Les spécifications de fabrication des panneaux solaires sont obtenues dans des conditions standard, qui ne correspondent généralement pas aux conditions réelles d'utilisation sur le site d'installation. Un boîtier de jonction photovoltaïque est fixé à l'arrière du panneau solaire et sert d'interface de sortie. La plupart des modules photovoltaïques utilisent des connecteurs MC4 pour faciliter les connexions étanches au reste du système. Une interface d'alimentation USB peut également être utilisée.

Les panneaux solaires utilisent également des cadres métalliques composés d'éléments de montage, de supports, de formes de réflecteurs et de gouttières pour mieux soutenir la structure du panneau.

Les cellules solaires doivent être reliées entre elles par des électrodes pour former un module, les électrodes avant bloquant légèrement la surface optique avant de la cellule solaire. Afin d'améliorer le rendement des cellules solaires, les fabricants maximisent la surface frontale exposée à la lumière solaire et améliorent l'absorption de cette lumière en utilisant des techniques de connexion des cellules solaires à électrodes arrière variables, adoptées chronologiquement

• Le champ de surface arrière en aluminium (Al-BSF), une technologie ancienne, utilise une face de contact arrière entièrement en aluminium
• Le contact arrière de l'émetteur passivé (PERC) utilise une face de contact arrière en aluminium réduite et ajoute un film polymère là où l'aluminium a été retiré pour capturer la lumière
• Le contact passivé à oxyde tunnel (TOPCon) utilise des barres omnibus en argent de plus en plus petites et ajoute une couche d'oxydation avec une surface rugueuse au film polymère PERC pour capturer plus de lumière
• Le contact arrière interdigité (IBC) place les contacts entièrement à l'arrière, permettant une exposition frontale complète à la lumière pour capturer encore plus de lumière
• Le contact arrière étendu (XBC) utilise une combinaison des technologies ci-dessus

Les cellules solaires tandem utilisent l'une des techniques de connexion ci-dessus et une combinaison de chimies de cellules pour former une cellule solaire.

Un seul panneau solaire ne peut produire qu'une quantité limitée d'énergie ; la plupart des installations comportent plusieurs panneaux dont les tensions ou les courants s'additionnent. Un système photovoltaïque comprend généralement un ensemble de modules photovoltaïques, un onduleur , une batterie pour le stockage de l'énergie, un régulateur de charge, le câblage d'interconnexion, des disjoncteurs, des fusibles, des interrupteurs de sectionnement, des voltmètres et, en option, un système de suivi solaire . Le matériel est soigneusement sélectionné afin d'optimiser la production et le stockage d'énergie, de réduire les pertes de transmission et, souvent, de convertir le courant continu en courant alternatif .

Les panneaux solaires intelligents intègrent l'électronique de puissance et se distinguent des panneaux solaires traditionnels dont l'électronique de puissance est fixée au cadre ou connectée au circuit photovoltaïque par un connecteur. L'électronique de puissance solaire peut être utilisée pour :

• Les optimiseurs de puissance à suivi du point de puissance maximale sont une technologie développée pour maximiser la production d'énergie des systèmes photovoltaïques solaires en compensant les effets d'ombrage, dans lesquels une ombre tombant sur une section d'un module provoque une chute de la production électrique d'une ou plusieurs chaînes de cellules du module à presque zéro, mais sans que la production de l'ensemble du module ne tombe à zéro.
• Moniteurs de performance solaire pour la collecte de données
• Détection des défauts pour une sécurité accrue

La plupart des modules solaires sont actuellement produits à partir de cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) fabriquées à partir de silicium polycristallin ou monocristallin . En 2021, le silicium cristallin représentait 95 % de la production mondiale de cellules photovoltaïques , tandis que le reste du marché global est constitué de technologies à couches minces utilisant du tellurure de cadmium (CdTe), du séléniure de cuivre, d'indium et de gallium et du silicium amorphe (a-Si) .

Les cellules bifaciales produisent de l'énergie sur leurs deux faces, ce qui augmente le rendement total du module. Ce gain dépend de la réflectivité de l'environnement et est amplifié par les constructions surélevées, car davantage de lumière peut atteindre la face arrière. Ce gain est contextuel : la face arrière bénéficie davantage d'un environnement à albédo élevé, comme la neige, les constructions surélevées et un ciel couvert. En revanche, les gains peuvent être minimes lorsque les panneaux sont installés directement sur une surface peu dégagée, ce qui rend leur installation peu rentable dans ce cas. Le prix des cellules bifaciales a suffisamment baissé pour se rapprocher de celui des technologies monofaciales. De ce fait, en 2024, les panneaux bifaciaux étaient le choix privilégié pour les installations photovoltaïques à grande échelle.

Les technologies solaires émergentes de troisième génération utilisent des cellules à couches minces avancées. Elles offrent un rendement de conversion relativement élevé à un coût inférieur à celui des autres technologies solaires. De plus, les cellules solaires multijonctions rectangulaires, à haut rendement et à forte densité, sont couramment utilisées dans les panneaux solaires des engins spatiaux , car elles offrent le meilleur rapport puissance générée par kilogramme envoyé dans l'espace. Les cellules multijonctions sont des semi-conducteurs composés , notamment d' arséniure de gallium et d'autres matériaux semi-conducteurs. Une autre technologie photovoltaïque émergente utilisant des cellules multijonctions est le photovoltaïque à concentration .

Cellules solaires à couches minces, une deuxième génération de cellules solaires photovoltaïques (PV) :

• En haut : installation de films minces de silicone stratifiés sur un toit.
• Au centre : cellule solaire CIGS sur un support plastique flexible et panneaux rigides CdTe montés sur une structure de support
• En bas : films stratifiés minces sur les toitures

Les cellules solaires à couches minces sont un type de cellule solaire fabriqué en déposant de fines couches de matériau photovoltaïque sur un substrat en verre, en plastique ou en métal. Elles sont généralement beaucoup plus minces que les plaquettes utilisées dans les cellules solaires conventionnelles à base de silicium cristallin . Les cellules solaires à couches minces sont fabriquées industriellement à partir de divers matériaux, notamment le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS) et le silicium amorphe en couches minces (a-Si, TF-Si).

Les cellules solaires sont souvent classées en générations selon le type de couches absorbant la lumière utilisées pour leur fabrication. Les cellules solaires de première génération , les plus répandues , sont composées de silicium monocristallin ou polycristallin . Cette technologie est actuellement dominante dans la plupart des systèmes photovoltaïques . La plupart des cellules solaires à couches minces appartiennent à la deuxième génération et sont fabriquées à partir de fines couches de matériaux tels que le silicium amorphe (a-Si), le tellurure de cadmium (CdTe), le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS) ou l'arséniure de gallium (GaAs). Les cellules solaires fabriquées avec des matériaux plus récents et moins établis appartiennent à la troisième génération , ou cellules solaires émergentes. Cette catégorie inclut des technologies innovantes à couches minces, comme les cellules solaires à pérovskite , à colorant , à points quantiques , organiques et à couches minces CZTS .

Les cellules à couches minces présentent plusieurs avantages par rapport aux cellules solaires en silicium de première génération, notamment leur légèreté et leur flexibilité accrues grâce à leur faible épaisseur. Elles sont ainsi parfaitement adaptées aux systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment et aux vitrages photovoltaïques semi-transparents pouvant être laminés sur les fenêtres. D'autres applications commerciales utilisent des panneaux solaires rigides à couches minces (insérés entre deux vitres) dans certaines des plus grandes centrales photovoltaïques du monde . De plus, les matériaux utilisés dans les cellules solaires à couches minces sont généralement produits par des méthodes simples et adaptables à grande échelle, plus économiques que celles des cellules de première génération, ce qui réduit considérablement l'impact environnemental, notamment les émissions de gaz à effet de serre (GES) . Enfin, les cellules à couches minces sont généralement plus performantes que les sources d'énergie renouvelables et non renouvelables pour la production d'électricité en termes de toxicité humaine et d'émissions de métaux lourds .

Malgré les difficultés initiales liées à la conversion efficace de la lumière, notamment avec les matériaux photovoltaïques de troisième génération, certaines cellules solaires à couches minces ont atteint, dès 2023, des rendements allant jusqu'à 29,1 % pour les cellules GaAs à jonction unique, dépassant ainsi le rendement maximal de 26,1 % des cellules solaires standard à jonction unique de première génération. Les cellules à concentration multijonctions intégrant des technologies de couches minces ont quant à elles atteint des rendements allant jusqu'à 47,6 % en 2023.

De nombreuses technologies à couches minces présentent une durée de vie opérationnelle plus courte et un taux de dégradation plus élevé que les cellules de première génération lors de tests de vieillissement accéléré , ce qui explique leur déploiement relativement limité. À l'échelle mondiale, la part de marché des technologies à couches minces dans le secteur photovoltaïque se maintient autour de 5 % en 2023 Cependant, cette technologie a gagné en popularité aux États-Unis, où les cellules CdTe représentaient à elles seules 29 % des nouvelles installations à grande échelle en 2021

Certains modules photovoltaïques spéciaux intègrent des concentrateurs dans lesquels la lumière est focalisée par des lentilles ou des miroirs sur des cellules plus petites. Ceci permet l'utilisation rentable de cellules très efficaces, mais coûteuses (comme celles à l'arséniure de gallium ), au prix d'une surface d'exposition solaire plus importante. La concentration de la lumière solaire peut également porter le rendement à environ 45 %.

La quantité de lumière absorbée par une cellule solaire dépend de l' angle d'incidence et de l'intensité du rayonnement solaire. L'absorption varie car la quantité de lumière atteignant le panneau est proportionnelle au cosinus de l'angle d'incidence, et aussi parce qu'à angle d'incidence élevé, la lumière est davantage réfléchie. Les modules sont généralement orientés vers le sud (dans l'hémisphère nord) ou le nord (dans l'hémisphère sud) avec une inclinaison spécifique calculée en fonction de la latitude, afin de maximiser la production d'énergie totale sur la journée. Un système de suivi solaire permet d'ajuster l'angle d'inclinaison du lever au coucher du soleil, afin de minimiser l'angle d'incidence.

L'orientation verticale des panneaux bifaciaux est orientée nord-sud et capte le maximum de lumière venant de l'est le matin et de l'ouest l'après-midi.

Les fabricants de cellules photovoltaïques s'efforcent de réduire la réflectance grâce à des revêtements antireflets améliorés ou à des textures. Les revêtements antireflets utilisent une ou plusieurs fines couches de substances dont les indices de réfraction sont intermédiaires entre celui du silicium et celui de l'air, provoquant une interférence destructive de la lumière réfléchie.

Dans les panneaux solaires individuels, si le courant absorbé est insuffisant, la puissance n'est pas maximale. À l'inverse, un courant trop élevé provoque une chute de tension. Le courant optimal est approximativement proportionnel à l'ensoleillement du panneau. La capacité d'un panneau solaire est définie par son point de puissance maximale (MPP) en plein soleil.

Les onduleurs solaires convertissent le courant continu fourni par les panneaux en courant alternatif.

Le point de puissance maximale (MPP) d'un panneau solaire est défini par sa tension (V _{_MPP} ) et son courant (I_MPP ). Pour suivre ce point de puissance maximale, un onduleur solaire analyse la courbe courant-tension (I_V) de la cellule solaire et applique la charge électrique appropriée afin d'obtenir la puissance maximale.

Un panneau solaire à courant alternatif est équipé d'un petit micro-onduleur de courant continu/alternatif à l'arrière et produit du courant alternatif sans connecteur externe. Les modules à courant alternatif sont définis par Underwriters Laboratories comme le système le plus petit et le plus complet pour la conversion de l'énergie solaire.

Les micro-onduleurs fonctionnent indépendamment pour permettre à chaque panneau de contribuer à son rendement maximal possible pour une quantité donnée de lumière solaire, mais peuvent être plus coûteux.

Les interconnexions électriques des panneaux solaires sont constituées de conducteurs transportant le courant et dimensionnés en fonction de l'intensité nominale et des conditions de défaut ; elles comprennent parfois des fusibles en ligne.

Les panneaux sont généralement connectés en série, un ou plusieurs panneaux étant connectés en chaînes pour obtenir une tension de sortie souhaitée, et les chaînes peuvent être connectées en parallèle pour fournir la capacité de courant (ampères) souhaitée du système PV.

Dans un montage en série, les tensions des modules s'additionnent, mais le courant est déterminé par le panneau le moins performant. C'est ce qu'on appelle « l'effet guirlande lumineuse ». Dans un montage en parallèle, les tensions sont identiques, mais les courants s'additionnent. Les panneaux sont connectés de manière à respecter les exigences de tension des onduleurs et à ne pas dépasser les limites de courant.

Des diodes de blocage et de dérivation peuvent être intégrées au module ou utilisées en externe pour compenser l'ombrage partiel des panneaux et optimiser ainsi la production. En cas de connexion en série, les diodes de dérivation sont placées en parallèle avec les modules afin de permettre au courant de contourner les modules ombragés dont la tension de sortie est plus faible et qui, autrement, limiteraient fortement le courant. En cas de connexion en parallèle, une diode de blocage peut être placée en série avec chaque chaîne de modules pour empêcher le courant de circuler en sens inverse à travers les chaînes ombragées, évitant ainsi les courts-circuits. Si trois chaînes ou plus sont connectées en parallèle, des fusibles sont généralement installés sur chaque chaîne afin d'éliminer tout risque de surcharge des panneaux et du câblage, et donc de risque d'incendie, en cas de défaillance des diodes.

Les panneaux solaires extérieurs comprennent généralement des connecteurs MC4 , les panneaux solaires automobiles peuvent inclure une prise de courant auxiliaire et/ou un adaptateur USB et les panneaux intérieurs peuvent avoir un micro-onduleur .

Le rendement d'une cellule solaire correspond à la proportion d'énergie solaire convertie en électricité . Ce rendement, combiné à la latitude et aux conditions météorologiques, détermine la production d'énergie d'un système solaire .

En 2024, le record d'efficacité des cellules solaires était de 47,6 %, établi en mai 2022 par l' institut Fraunhofer ISE avec une cellule photovoltaïque à concentration (CPV) à quatre jonctions III-V. Le record en conditions réelles est détenu par le NREL, qui a développé des cellules à triple jonction avec une efficacité testée de 39,5 %.

Les modules solaires commerciaux peuvent dépasser 24 % d'efficacité. En 2025, les meilleurs modules atteignaient 24,5 %, généralement inférieur à l'efficacité de leurs cellules prises individuellement. Les modules solaires produits en série les plus efficaces ont une densité de puissance de 175 W/m² ⁽ 16,22 W/ft² ⁾ .

En 2026, en utilisant des cellules triples au germanium III-V et la technologie de matrice imbriquée pour interconnecter les cellules, Fraunhofer a atteint un rendement de 34,4 %. Une innovation importante a été l'utilisation d'un contact direct entre les cellules, éliminant les rubans de cuivre traditionnels recouverts de soudure et l'ombrage qui en résultait sur les zones actives des cellules.

Plusieurs facteurs influencent l'efficacité de conversion, notamment la réflectance , l'efficacité thermodynamique , l'efficacité de séparation des porteurs de charge , l'efficacité de collecte des porteurs de charge et l'efficacité de conduction . Ces paramètres étant difficiles à mesurer directement, d'autres paramètres sont utilisés, tels que l'efficacité quantique , le rapport de tension en circuit ouvert (V _{_OC} ) et le facteur de remplissage . Les pertes par réflectance sont prises en compte par le calcul de l'efficacité quantique, car elles affectent l'efficacité quantique externe. Les pertes par recombinaison sont prises en compte par ces facteurs. Les pertes résistives sont principalement prises en compte par le calcul du facteur de remplissage, mais contribuent également aux autres.

Selon leur conception, les modules photovoltaïques peuvent produire de l'électricité à partir d'une gamme de fréquences lumineuses , mais ne couvrent généralement pas l'intégralité du spectre du rayonnement solaire (notamment les ultraviolets , le visible , l'infrarouge et la lumière diffuse). Par conséquent, une grande partie de l' énergie solaire incidente n'est pas traitée par les modules solaires. La lumière solaire peut être décomposée en bandes de longueurs d'onde (chacune d'une couleur différente), chacune étant dirigée vers des cellules optimisées pour les gammes de longueurs d'onde permettant une conversion plus efficace.

Les performances des modules sont généralement évaluées dans des conditions de test standard : éclairement de 1 000 W/m² ^, spectre solaire AM 1.5 et température du module de 25 °C . La tension et le courant de sortie réels du module varient en fonction de l’éclairage, de la température et de la charge ; il n’existe donc pas de tension de fonctionnement fixe. Les performances dépendent de la situation géographique, de l’heure, du jour de l’année, de l’ éclairement solaire , de l’orientation et de l’inclinaison des modules, de la couverture nuageuse, de l’ombrage, de l’encrassement , de l’état de charge et de la température. Les performances d’un module ou d’un panneau peuvent être mesurées à intervalles réguliers à l’aide d’une pince ampèremétrique ou d’un shunt, puis enregistrées et représentées graphiquement à l’aide d’un enregistreur graphique ou d’un enregistreur de données.

Pour un rendement optimal, une chaîne de panneaux solaires doit être composée de panneaux de tension électrique similaire, orientés dans la même direction et perpendiculairement à la lumière directe du soleil. Des diodes de dérivation permettent d'optimiser la production en assurant un flux de courant continu, en contournant les panneaux défectueux ou ombragés.

Les caractéristiques électriques comprennent la puissance nominale (P _MAX , mesurée en W ), la tension en circuit ouvert (V _OC ), le courant de court-circuit (I _SC , mesuré en ampères ), la tension de puissance maximale (V _MPP ), le courant de puissance maximale (I _MPP ), la puissance de crête ( watt-crête , W _p ) et le rendement du module (%).

La tension en circuit ouvert (V_{_OC)} est la tension maximale que le module peut produire lorsqu'il n'est pas connecté à un circuit ou un système électrique. La V_{_OC} peut être mesurée à l'aide d'un voltmètre directement sur les bornes du module éclairé ou sur son câble déconnecté.

La puissance crête, Wp _, correspond à la puissance de sortie maximale dans des conditions de test standard (et non à la puissance de sortie maximale théorique). Les modules classiques, mesurant environ 1 mètre sur 2 mètres (3 pieds × 7 pieds), ont une puissance nominale comprise entre 75 W et 600 W, selon leur rendement. Lors des tests, les modules sont triés en fonction de leurs résultats. Un fabricant type peut les classer par incréments de 5 W, avec une tolérance de +/- 3 %, +/- 5 %, +3 %/-0 % ou +5 %/-0 %.

Les performances d'un module photovoltaïque (PV) dépendent des conditions environnementales, principalement de l'éclairement global incident G dans le plan du module. Cependant, la température T de la jonction p-n influence également les principaux paramètres électriques : le courant de court-circuit I_{_SC} , la tension en circuit ouvert V_{_OC} et la puissance maximale P _{_max} . En général, on sait que V_{_OC} présente une corrélation inverse significative avec T, tandis que pour I_{_SC,} cette corrélation est directe, mais plus faible, de sorte que son augmentation ne compense pas la diminution de V_{_OC} . Par conséquent, P _{_max} diminue lorsque T augmente. Cette corrélation entre la puissance de sortie d'une cellule solaire et la température de fonctionnement de sa jonction dépend du matériau semi-conducteur et est due à l'influence de T sur la concentration, la durée de vie et la mobilité des porteurs intrinsèques, c'est-à-dire les électrons et les porteurs de charge, à l'intérieur de la cellule photovoltaïque.

La sensibilité à la température est généralement décrite par des coefficients de température, chacun exprimant la dérivée du paramètre auquel il se rapporte par rapport à la température de jonction. Les valeurs de ces paramètres, disponibles dans la fiche technique du module photovoltaïque, sont les suivantes :

- β : coefficient de variation de V _OC par rapport à T, donné par ∂V _OC /∂T.

- α : Coefficient de variation de I _SC par rapport à T, donné par ∂I _SC /∂T.

- δ : Coefficient de variation de P _max par rapport à T, donné par ∂P _max /∂T.

Des techniques permettant d’estimer ces coefficients à partir de données expérimentales peuvent être trouvées dans la littérature

Des études ont montré que si les températures élevées ont un impact négatif sur l'efficacité, les températures plus froides peuvent améliorer les performances des panneaux solaires grâce à une réduction de la résistance électrique au sein des cellules. Cependant, les conditions hivernales présentent des défis supplémentaires, tels que l'accumulation de neige et la réduction de la durée d'ensoleillement, qui peuvent annuler les gains d'efficacité liés aux basses températures. Les panneaux solaires sont toujours capables de produire de l'électricité en hiver, mais leur rendement global peut être inférieur en raison d'une exposition solaire limitée et d'éventuels obstacles.

La capacité des modules solaires à résister aux dommages causés par la pluie, la grêle , les fortes charges de neige et les cycles de chaleur et de froid varie selon le fabricant, bien que la plupart des panneaux solaires sur le marché américain soient homologués UL, ce qui signifie qu'ils ont subi des tests pour résister à la grêle.

La dégradation induite par le potentiel (également appelée PID) est une dégradation des performances induite par le potentiel dans les modules photovoltaïques cristallins, causée par ce que l'on appelle les courants de fuite. Cet effet peut entraîner une perte de puissance allant jusqu'à 30 %.

La puissance de sortie d'un dispositif photovoltaïque (PV) diminue au fil du temps sous l'effet du rayonnement solaire et d'autres conditions extérieures. L'indice de dégradation, défini comme le pourcentage annuel de perte de puissance, est un facteur déterminant pour la production à long terme d'une centrale photovoltaïque. Pour estimer cette dégradation, on calcule le pourcentage de diminution associé à chaque paramètre électrique. La dégradation d'un seul panneau solaire peut impacter négativement les performances de l'ensemble de la chaîne. De plus, les performances des panneaux solaires d'une même installation ne diminuent pas tous au même rythme.

Plusieurs études portant sur l'analyse de la dégradation de la puissance des panneaux solaires basés sur différentes technologies photovoltaïques sont disponibles dans la littérature. Selon une étude récente , la dégradation des panneaux solaires en silicium cristallin est linéaire, comprise entre 0,8 % et 1,0 % par an.

En revanche, l'analyse des performances des modules photovoltaïques à couches minces révèle une période initiale de forte dégradation (pouvant durer plusieurs mois, voire jusqu'à deux ans), suivie d'une phase de stabilisation où la dégradation devient comparable à celle du silicium cristallin. De fortes variations saisonnières sont également observées pour ces technologies à couches minces, du fait de l'influence beaucoup plus importante du spectre solaire.

Les panneaux solaires en silicium amorphe, en silicium micromorphe ou en tellurure de cadmium peuvent avoir des taux de dégradation annuels pour les premières années compris entre 3 % et 4 %.

Les panneaux solaires en séléniure de cuivre, d'indium et de gallium présentent des taux de dégradation inférieurs à ceux du silicium cristallin, même au cours des premières années.

Les grandes centrales solaires utilisent fréquemment des systèmes photovoltaïques au sol. Leurs modules solaires sont maintenus en place par des supports ou des cadres fixés à des structures de montage au sol. Les structures de montage au sol comprennent :

• Supports de poteaux, qui sont enfoncés directement dans le sol ou scellés dans du béton.
• supports de fondation, tels que des dalles de béton ou des semelles coulées
• Les supports à semelles lestées, tels que les socles en béton ou en acier, utilisent leur poids pour maintenir le système de modules solaires en place, sans nécessiter de forage du sol. Ce type de système de montage est particulièrement adapté aux sites où l'excavation est impossible, comme les décharges recouvertes, et simplifie le démantèlement ou le déplacement des systèmes de modules solaires.

montage au sol des panneaux solaires

Les panneaux solaires bifaciaux verticaux sont orientés vers l'est et l'ouest plutôt que vers le sud, ce qui leur permet d'exploiter plus efficacement le rayonnement solaire le matin et le soir. Dans la plupart des cas, cela se traduit par une production totale légèrement inférieure, mais correspond mieux à la demande énergétique qu'une installation orientée plein sud et contribue à atténuer le problème de la courbe en canard . Parmi les applications, on peut citer l'agrivoltaïsme , les clôtures solaires, les dispositifs d'atténuation du bruit sur les routes et les voies ferrées, ainsi que les barrières . Les panneaux solaires bifaciaux verticaux sont particulièrement adaptés aux régions de haute latitude, comme les pays nordiques, en raison du faible angle d'altitude solaire moyen.

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  panneaux solaires bifaciaux verticaux agrivoltaïques
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  Puissance de sortie des panneaux solaires bifaciaux verticaux par rapport aux panneaux orientés au sud

Les systèmes d'énergie solaire installés sur toiture sont constitués de modules solaires maintenus en place par des supports ou des cadres fixés à la toiture. Les supports de montage sur toiture comprennent :

• Les supports de rails sont fixés directement à la structure du toit et peuvent utiliser des rails supplémentaires pour fixer les supports ou les cadres des modules.
• Les supports lestés, tels que les socles en béton ou en acier, utilisent leur poids pour maintenir le système de panneaux en place et ne nécessitent aucune perforation. Cette méthode de montage permet le démontage ou le déplacement des systèmes de panneaux solaires sans incidence négative sur la structure du toit.
• Tous les câbles reliant les modules solaires adjacents à l'équipement de production d'énergie doivent être installés conformément aux normes électriques locales et doivent être acheminés dans une gaine adaptée aux conditions climatiques.

Les auvents solaires sont des panneaux photovoltaïques installés sur une structure traditionnelle . Ces structures peuvent être des auvents de parking, des abris de voiture , des kiosques , des pergolas ou des couvertures de terrasse .

Il existe de nombreux avantages, notamment l’optimisation de l’espace disponible en milieu urbain et la création d’abris pour les voitures. L’énergie produite peut être utilisée pour créer des stations de recharge pour véhicules électriques.

Les panneaux solaires portables peuvent fournir un courant électrique suffisant pour recharger des appareils (téléphone portable, radio, ...) via un port USB ou pour recharger une batterie externe.

Les panneaux solaires portables présentent notamment une grande flexibilité, une grande durabilité et une étanchéité, ce qui les rend idéaux pour les voyages et le camping.

Les systèmes de suivi solaire augmentent l'énergie produite par module, au prix d'une complexité mécanique accrue et d'un besoin de maintenance plus important. Ils détectent la direction du soleil et inclinent ou font pivoter les modules selon les besoins pour une exposition maximale à la lumière.

Par ailleurs, des racks fixes peuvent maintenir les modules immobiles toute la journée, selon une inclinaison donnée ( angle zénithal ) et une orientation donnée ( angle azimutal ). Les angles d'inclinaison équivalents à la latitude de l'installation sont courants. Certains systèmes peuvent également ajuster l'angle d'inclinaison en fonction de la période de l'année.

En revanche, les installations orientées est-ouest (recouvrant par exemple un toit orienté est-ouest) sont couramment déployées. Même si ces installations ne produisent pas la puissance moyenne maximale possible de chaque panneau solaire, le coût de ces panneaux est généralement inférieur à celui du système de suivi et elles peuvent fournir une énergie plus rentable lors des pics de consommation du matin et du soir que les systèmes orientés nord ou sud.

L’efficacité de conversion des panneaux solaires, généralement de l’ordre de 20 %, est réduite par l’accumulation de poussière, de saleté, de pollen et d’autres particules sur les panneaux, un phénomène appelé encrassement . « Un panneau solaire sale peut voir sa capacité de production d’énergie diminuer jusqu’à 30 % dans les zones à forte concentration de poussière et de pollen, ou dans les régions désertiques », explique Seamus Curran, professeur associé de physique à l’Université de Houston et directeur de l’Institut de nanoénergie, spécialisé dans la conception, l’ingénierie et l’assemblage de nanostructures. La perte moyenne due à l’encrassement dans le monde en 2018 est estimée à au moins 3 à 4 %.

En 2019, le nettoyage des panneaux solaires représentait un bon investissement dans de nombreuses régions . Cependant, dans certaines régions, ce nettoyage n'était pas rentable. En Californie, en 2013, les pertes financières dues à l'encrassement étaient rarement suffisantes pour justifier le coût du lavage des panneaux. En moyenne, les panneaux californiens perdaient un peu moins de 0,05 % de leur rendement global par jour

L’installation et la maintenance des panneaux solaires comportent également des risques professionnels . Une étude menée au Royaume-Uni entre 2015 et 2018 a analysé 80 incendies liés au photovoltaïque, dont plus de 20 incendies graves directement imputables à l’installation, notamment dans 37 bâtiments résidentiels et 6 centrales solaires. Dans un tiers des cas, la cause première n’a pas pu être identifiée, et dans la plupart des autres , l’incendie était dû à une mauvaise installation, à un produit défectueux ou à des problèmes de conception. L’élément le plus fréquemment à l’origine des incendies était le sectionneur de courant continu.

Une étude de kWh Analytics réalisée en 2021 a révélé qu'au niveau du système, la dégradation annuelle médiane des installations photovoltaïques était de 1,09 % pour les applications résidentielles et de 0,8 % pour les applications non résidentielles. Ce taux était nettement supérieur à l'estimation courante du secteur, qui était de 0,5 % par an et qui reposait sur une évaluation de la dégradation au niveau des panneaux. Une étude de 2021 sur la fiabilité des modules a mis en évidence une augmentation des taux de défaillance des modules solaires : 30 % des fabricants ont rencontré des problèmes de sécurité liés aux boîtes de jonction (contre 20 % auparavant) et 26 % des problèmes liés à la nomenclature des composants (contre 20 % auparavant).

Les méthodes de nettoyage des panneaux solaires se répartissent en cinq groupes : outils manuels, outils mécanisés (comme les brosses montées sur tracteur), systèmes hydrauliques fixes (comme les arroseurs), systèmes robotisés fixes et robots déployables. Le nettoyage manuel reste de loin la méthode la plus répandue, probablement en raison de son faible coût. Toutefois, une étude saoudienne menée en 2014 a conclu que « les systèmes robotisés fixes, les systèmes mécanisés et les systèmes hydrauliques fixes sont probablement les trois technologies les plus prometteuses pour le nettoyage des panneaux solaires »

De nouveaux mécanismes d'auto-nettoyage pour panneaux solaires sont en cours de développement. Par exemple, en 2019, l'utilisation de nanofils gravés par voie chimique humide et d'un revêtement hydrophobe sur les gouttelettes d'eau en surface a permis d'éliminer 98 % des particules de poussière, ce qui pourrait s'avérer particulièrement pertinent pour les applications en milieu désertique.

En mars 2022, des chercheurs du MIT ont annoncé la mise au point d'un système de nettoyage sans eau pour panneaux et miroirs solaires, destiné à résoudre le problème de l'accumulation de poussière, qui peut réduire la production d'énergie solaire jusqu'à 30 % en un mois. Ce système utilise la répulsion électrostatique pour détacher les particules de poussière de la surface du panneau, éliminant ainsi le besoin d'eau ou de brosses. Une charge électrique, appliquée aux particules de poussière par le passage d'une simple électrode sur le panneau, les repousse grâce à une charge appliquée au panneau lui-même. Le système peut être automatisé à l'aide d'un moteur électrique et de rails de guidage.

En 2021, 30 000 tonnes de déchets photovoltaïques ont été recensées, et Bloomberg NEF estime que ce volume annuel dépassera le million de tonnes d’ici 2035 et les 10 millions de tonnes d’ici 2050. À titre de comparaison, les centrales au charbon ont produit 750 millions de tonnes de cendres volantes en 2022. Aux États-Unis, environ 90 % des panneaux solaires mis hors service finissaient en décharge en 2023. La plupart des composants d’un module solaire sont recyclables, notamment jusqu’à 95 % de certains matériaux semi-conducteurs ou du verre, ainsi que d’importantes quantités de métaux ferreux et non ferreux. Certaines entreprises privées et organisations à but non lucratif récupèrent et recyclent les modules en fin de vie. La législation européenne impose aux fabricants de veiller à ce que leurs panneaux solaires soient correctement recyclés. Des législations similaires sont en cours d’élaboration au Japon , en Inde et en Australie . Un rapport australien de 2023 indiquait qu’il existait un marché pour les panneaux usagés de qualité et formulait des recommandations pour accroître leur réutilisation, mais les règles n’ont pas été mises en œuvre.

Les possibilités de recyclage dépendent du type de technologie utilisée dans les modules :

• Modules à base de silicium : les cadres en aluminium et les boîtes de jonction sont démontés manuellement en début de processus. Le module est ensuite broyé et les différentes fractions (verre, plastique et métaux) sont séparées. Il est possible de récupérer plus de 80 % du poids initial. Ce procédé peut être réalisé par les recycleurs de verre plat, car la forme et la composition d’un module photovoltaïque sont similaires à celles du verre plat utilisé dans le bâtiment et l’automobile. Le verre récupéré est, par exemple, facilement accepté par l’industrie du verre mousse et de l’isolation en verre.
• Modules non à base de silicium : leur recyclage nécessite des technologies spécifiques, telles que l’utilisation de bains chimiques, pour séparer les différents matériaux semi-conducteurs. Pour les modules au tellurure de cadmium , le processus de recyclage commence par le broyage du module, suivi de la séparation des différentes fractions. Ce procédé permet de récupérer jusqu’à 90 % du verre et 95 % des matériaux semi-conducteurs contenus. Ces dernières années, des entreprises privées ont créé des installations de recyclage à l’échelle industrielle.

Depuis 2010, une conférence européenne annuelle réunit fabricants, recycleurs et chercheurs pour examiner l'avenir du recyclage des modules photovoltaïques.

La production de systèmes PV a suivi un effet de courbe d'apprentissage classique , avec une réduction significative des coûts parallèlement à de fortes augmentations de l'efficacité et de la production.

Avec une croissance annuelle de plus de 100 % des installations de systèmes photovoltaïques, les fabricants de modules photovoltaïques ont considérablement augmenté leurs livraisons de modules solaires en 2019. Ils ont activement développé leurs capacités et sont devenus des acteurs majeurs du secteur du gigawatt ( GW) . Selon Pulse Solar, cinq des dix principales entreprises de modules photovoltaïques en 2019 ont enregistré une hausse de leur production de panneaux solaires d'au moins 25 % par rapport à 2019.

La production de la plupart des panneaux solaires repose essentiellement sur l'utilisation de cellules en silicium. Ces cellules en silicium ont généralement un rendement de 10 à 20 % pour la conversion de la lumière solaire en électricité, les modèles de production plus récents dépassant les 22 %.

En 2018, les cinq principaux producteurs mondiaux de modules solaires en termes de capacité expédiée au cours de l'année civile 2018 étaient Jinko Solar , JA Solar , Trina Solar , Longi Solar et Canadian Solar .

La fabrication des panneaux photovoltaïques repose sur l'utilisation de produits chimiques toxiques et réactifs, notamment le tellurure de cadmium, le séléniure de cuivre-indium, le (di)séléniure de cadmium-gallium, le (di)séléniure de cuivre-indium-gallium, l'hexafluoroéthane, le plomb et le fluorure de polyvinyle. Parmi les sous-produits figure le tétrachlorure de silicium. La découpe des plaquettes de silicium génère de la poussière de silicium (« rayures de coupe »).

Le prix de l'électricité solaire a continué de baisser, si bien que dans de nombreux pays, elle est devenue moins chère que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles et provenant du réseau électrique depuis 2012, un phénomène connu sous le nom de parité réseau . Face à la prise de conscience mondiale croissante, des institutions telles que l' IRS ont adopté un système de crédit d'impôt, remboursant une partie du coût de toute installation de panneaux solaires à usage privé. Le prix d'une installation solaire continue de baisser.

Les informations relatives aux prix moyens se répartissent en trois catégories : les petits acheteurs (modules de toutes tailles, de l’ordre du kilowatt, par an), les acheteurs de moyenne capacité (généralement jusqu’à 10 MWc par an) et les gros acheteurs (qui bénéficient des prix les plus bas). Sur le long terme, on observe une baisse systématique du prix des cellules et des modules. Par exemple, en 2012, le coût unitaire par watt était estimé à environ 0,60 USD, soit 250 fois moins qu’en 1970 (150 USD). Une étude de 2015 montre une baisse du prix du kWh de 10 % par an depuis 1980 et prévoit que l’énergie solaire pourrait représenter 20 % de la consommation totale d’électricité d’ici 2030, tandis que l’ Agence internationale de l’énergie prévoit 16 % d’ici 2050.

Les coûts réels de production d'énergie dépendent fortement des conditions météorologiques locales. Dans un pays nuageux comme le Royaume-Uni, le coût par kWh produit est plus élevé que dans des pays plus ensoleillés comme l'Espagne.

Conformément à RMI , les éléments d'équilibre du système (BoS), c'est-à-dire les coûts hors module des modules solaires non micro-onduleurs (tels que le câblage, les convertisseurs, les systèmes de montage et divers composants), représentent environ la moitié du coût total des installations.

Pour les centrales solaires commerciales, où l'électricité est vendue sur le réseau de transport d'électricité, le coût de l'énergie solaire devra correspondre au prix de gros de l'électricité. Ce point est parfois appelé « parité réseau de gros » ou « parité des barres omnibus ».

Normes généralement utilisées dans les modules photovoltaïques :

• IEC 61215 ( performances du silicium cristallin ), 61646 ( performances des couches minces ) et 61730 (tous les modules, sécurité), 61853 (essais de performance et classement énergétique des modules photovoltaïques)
• ISO 9488 Énergie solaire — Vocabulaire.
• UL 1703 des Laboratoires des assureurs
• UL 1741 des Laboratoires des assureurs
• UL 2703 des Laboratoires des assureurs
• Marquage CE
• Série de testeurs de sécurité électrique (EST) (EST-460, EST-22V, EST-22H, EST-110).

Les panneaux solaires, ou photovoltaïques, trouvent de nombreuses applications pratiques. En agriculture, ils servent notamment à l'irrigation. Dans le secteur de la santé, ils permettent de réfrigérer les fournitures médicales. Ils peuvent également être utilisés pour les infrastructures. Les modules photovoltaïques, utilisés dans les systèmes photovoltaïques , comprennent une grande variété de composants électriques .

Avec la multiplication des installations photovoltaïques en toiture, le flux d'énergie devient bidirectionnel. Lorsque la production locale excède la consommation, l'électricité est injectée dans le réseau. Or, les réseaux électriques traditionnels ne sont pas conçus pour gérer ces transferts d'énergie bidirectionnels. Des problèmes techniques peuvent donc survenir. Par exemple, dans le Queensland, en Australie, plus de 30 % des ménages utilisaient des panneaux photovoltaïques en toiture fin 2017. La courbe en canard est apparue fréquemment dans de nombreuses collectivités à partir de 2015. Un problème de surtension peut se produire lorsque l'électricité produite par les ménages équipés de panneaux photovoltaïques est renvoyée au réseau. Des solutions existent pour gérer ce problème de surtension, comme la régulation du facteur de puissance des onduleurs photovoltaïques, l'installation de nouveaux équipements de contrôle de la tension et de l'énergie au niveau du distributeur d'électricité, la réfection des câbles électriques, la gestion de la demande, etc. Ces solutions présentent souvent des limitations et des coûts.

Pour que les panneaux solaires installés sur les toits puissent fournir suffisamment d'énergie de secours en cas de coupure de courant, une batterie est souvent également nécessaire.

L'assurance qualité des modules solaires consiste à tester et à évaluer les cellules et les panneaux solaires afin de garantir leur conformité aux exigences de qualité. Les modules (ou panneaux) solaires sont conçus pour avoir une longue durée de vie, comprise entre 20 et 40 ans . Ils doivent fournir et transmettre l'énergie prévue de manière continue et fiable. Les modules solaires peuvent être testés par une combinaison d' essais physiques , d'études en laboratoire et d'analyses numériques . De plus, leur performance doit être évaluée à chaque étape de leur cycle de vie . Diverses entreprises telles que Southern Research Energy & Environment, SGS Consumer Testing Services, TÜV Rheinland , Sinovoltaics, Clean Energy Associates (CEA), CSA Solar International et Enertis proposent des services d'assurance qualité pour les modules solaires. « La mise en œuvre de processus de fabrication cohérents, traçables et stables est devenue indispensable pour préserver et garantir la qualité des modules photovoltaïques » La certification est réalisée conformément aux normes ANSI/UL1703, IEC 17025, IEC 61215, IEC 61701, et IEC 61730-1/-2