Un panneau solaire photovoltaïque est un dispositif de circuit intégré à semi-conducteurs qui convertit directement la lumière en électricité.
Il est généralement fabriqué à partir de silicium et d’autres éléments en petite quantité et il est cousins germains des transistors, des diodes électroluminescentes (LED) et d’autres composants électroniques.

Un panneau solaire photovoltaïque est composé d’un ensemble d’élément assemblé en série appelé cellules solaires. Elles sont constituées de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs présentant diverses propriétés électroniques. Dans une cellule mono ou poly cristalline, le matériau est principalement du silicium dopé avec une petite quantité de bore pour lui conférer un caractère positif de type p. Une fine couche à l’avant de la cellule est dopée au phosphore pour lui donner un caractère négatif de type n. L’interface entre ces deux couches renferme un champ électrique et est appelée jonction.

La lumière est constituée de particules appelées photons. Quand la lumière entre en contact avec la cellule solaire, un certain nombre de ces photons est absorbé dans la zone de jonction, libérant des électrons dans le cristal de silicium. Si des photons ont suffisamment d’énergie, les électrons seront à même de traverser le champ électrique à la jonction et de circuler à travers le silicium et dans un circuit externe, ils libèrent leur énergie sous forme d’énergie utilisable (mise en marche de moteurs, allumage de lampes, etc.) et reviennent dans la cellule solaire.
Le processus photovoltaïque est entièrement intégré et autonome. Aucune pièce n’est en mouvement et aucun matériau n’est consommé ou émis.

Bien qu’un système solaire photovoltaïque puisse être très simple et ne consister qu’en un seul module solaire et une seule utilisation (ventilateur à entraînement direct, par exemple), la plupart des systèmes solaires photovoltaïques sont conçus pour fournir de l’électricité à tout moment et doivent donc comprendre des batteries pour accumuler et conserver l’énergie produite par les panneaux solaires.

Les systèmes munis de batteries devront également comporter des régulateurs électroniques pour en contrôler le chargement ou en limiter le déchargement.

Comme les systèmes solaires photovoltaïques et leurs batteries sont essentiellement des dispositifs en courant continu, les systèmes plus importants comporterons généralement des convertisseurs de courant continu en courant alternatif pour pouvoir utiliser en courant alternatif, sous des tensions et des fréquences standards les équipements usuels que l’on trouve dans les magasins d’électroménager. Sinon il faudra employer des appareils alimentés directement en courant continu, comme ceux utilisé dans le camping, l’automobile, ou la marine.

Il faut effectuer les branchements électriques entre ces différents éléments et prévoir les dispositifs de protection, diodes, fusibles, coupe-circuits, disjoncteurs et mises à la terre qui sont généralement nécessaires pour satisfaire aux normes et codes de sécurité réglementaire.

Il faudra enfin prévoir le matériel de montage et de fixation pour la mise en place des panneaux solaires photovoltaïques, ainsi que les branchements électriques pour assurer le bon fonctionnement de l’ensemble.

A fournir de l’électricité en des lieux non raccordés ou non raccordables au réseau électrique.

Un système d’alimentation solaire photovoltaïque correctement calculé peut satisfaire pratiquement tous les besoins en électricité, notamment l’éclairage, l’alimentation de systèmes de pompage, de matériel de réfrigération, de transmission de données etc.
Mais son coût encore assez élevé limite la puissance à installer. Son intérêt est particulièrement fort pour les installations consommant peu de courant électrique.

Depuis les décisions politiques récentes et les incitations financières importantes développées par de nombreux Etats, les panneaux solaires photovoltaïques sont utilisés pour la production d’électricité à injecter dans le réseau général de distribution. Jusqu’à ces derniers temps ce réseau était alimenté par des centrales thermiques à charbon ou à fioul, nucléaire ou hydraulique et très récemment éolien.

Cette utilisation très à la mode dans les années 2010 repose sur un prix de rachat très incitatif pour le producteur, crée un marché artificiel qui s’arrêtera évidement en même temps que les subventions.

A moins que le coût de production des panneaux solaires et des équipements d’installation (aluminium d’encadrement, câblage de liaison, main-d’œuvre spécialisée etc.) rende le prix du KWh comparable à celui produit par les autres sources. Ce qui est encore loin d’être le cas.

En un mot, non. Bien que la fabrication des cellules et des panneaux solaires photovoltaïques fasse appel à des technologies relativement complexes, leur emploi est très simple. Les systèmes solaires photovoltaïques sont généralement des dispositifs courant continu basse tension (bien que des réseaux de modules solaires photovoltaïques puissent être câbles pour produire une tension plus importante) ne comportant aucune pièce en mouvement ou soumise à l’usure. Une fois installé, un réseau solaire photovoltaïque ne requiert généralement aucun entretien autre qu’un nettoyage occasionnel (et même cela n’est pas impératif).

La plupart des systèmes solaires photovoltaïques contiennent des accumulateurs dans lesquels il faudra ajouter de l’eau distillé et qu’il faudra entretenir de la même façon qu’une batterie automobile. C’est encore actuellement l’élément le plus fragile du système car il s’use dans un délai de deux à dix ans suivant son dimensionnement, son rythme d’utilisation et sa qualité de fabrication.

Les systèmes solaires photovoltaïques constituent probablement la méthode la plus douce de production électrique. Ce sont des systèmes silencieux, ne produisant aucune émission et n’utilisant pas de carburant (autre que la lumière du soleil !). La fabrication de panneaux solaires photovoltaïques va naturellement varier d’un fabricant à l’autre. Bien que des matériaux dangereux (principalement des bases et de forts acides inorganiques) entrent dans la fabrication des cellules solaires, ces substances ne sont pas libérées dans l’environnement. La technologie photovoltaïque est principalement basée sur le silicium, deuxième élément le plus communément trouvé sur la surface de la terre, qui est un produit non toxique tel qu’il est utilisé dans les panneaux solaires photovoltaïques.

Les modules solaires photovoltaïques sont classés en fonction d’un ensemble de conditions bien définies appelées Conditions de Test Standard (STC). Celles-ci comprennent la température des cellules solaires (25°C), l’intensité du rayonnement (1KW/m²) et la distribution spectrale de la lumière (masse de l’air 1,5 ou AM 1,5, correspondant au spectre de lumière solaire filtrée au travers de 1,5 épaisseur d’atmosphère terrestre). Ces conditions théoriques correspondent à ce que l’on pourrait obtenir à midi, par une journée bien ensoleillée, le soleil étant situé à environ 60° au-dessus de l’horizon, le module solaire photovoltaïque placé directement face au soleil et la température de l’air à 0°C. Ces conditions permettent de définir la puissance crête d’un panneau solaire.

En cours de production, dans les unités de fabrications sérieuses les panneaux solaires photovoltaïques sont testés dans une chambre appelée simulateur solaire contenant un flash à ampoule et un filtre conçus pour reproduire autant que possible la lumière solaire et offrant une précision d’environ + ou – 1%. Comme le flash ne dure que 50 millisecondes, les cellules n’ont pas le temps de chauffer de façon appréciable, ce qui permet de mesurer les caractéristiques électriques du module solaire à une température (la température ambiante du module/usine) généralement de l’ordre de 25°C ; par la suite seuls quelques légers ajustements seront requis pour corriger les températures standard de 25°C.

Pour un module solaire donné, la plupart des fabricants n’indiquent que la puissance nominale et une tolérance (généralement de l’ordre de + ou – 10%). Certains fabricants, de plus en plus rare se distinguaient de leurs concurrents en stipulant sur l’étiquette de chaque modules solaires la puissance testée, éliminant ainsi toute incertitude quant au rendement du module solaire (dans les limites de tolérance des mesures).

Un certain nombre de caractéristiques des modules solaires photovoltaïques (sécurité, durabilité et puissance) sont certifiés par plusieurs organismes au monde, parmi lesquels U.L. (Underwriters Laboratoiries), F.M.( Factory Mutual Researc)- C.E – TUV etc.

Bien qu’il soit techniquement possible d’utiliser l’électricité produite par un système solaire photovoltaïque pour chauffer l’eau, ce n’est généralement pas économique. L’eau chaude peut être produite bien plus économiquement par un système thermique qui a recours à des panneaux absorbant la chaleur dans lequel circule un liquide caloporteur. Ces systèmes thermiques, simples dans leur conception, fonctionnent depuis de très nombreuses années en particulier dans les régions à fort ensoleillement direct comme ceux qui entourent la Méditerranée.

Oui, et même très bien. Contrairement à ce qu’on pourrait croire, les systèmes solaires photovoltaïques produisent en fait davantage d’électricité sous des températures faibles, les autres facteurs demeurant inchangés.

La raison en est que les systèmes solaires photovoltaïques sont en fait des dispositifs électroniques qui produisent de l’électricité à partir de la lumière, et non pas à partir de la chaleur. Comme la plupart des dispositifs électroniques, les systèmes solaires photovoltaïques fonctionnent mieux quand il fait plus froid.

Dans les climats tempérés, les systèmes solaires photovoltaïques produiront moins d’énergie en hiver non pas parce que les températures sont plus fraiches mais parce que les jours sont plus courts, l’angle des rayons solaires plus faible et la couverture nuageuse plus dense.

Les systèmes solaires photovoltaïques produisent de l’électricité par temps nuageux, bien que leur production s’en trouve diminuée. En général, la production électrique varie de façon linéaire et sera d’environ 10% de celle produite dans des conditions d’intensité solaire normale. Les panneaux solaires photovoltaïques sont des plaques qui sont activés par une fenêtre lumineuse de 180°, ils n’ont pas besoins d’ensoleillement direct et peuvent même produire 50 à 70% de leur production nominale par temps couvert mais lumineux. Un temps couvert et sombre au contraire peut entrainer une production de 5 à 10% de celle d’une intensité solaire normale.

Les niveaux d’éclairage naturel intérieur, même dans des bureaux bien exposés, sont bien moins élevés que ceux de l’extérieur, souvent dans une proportion de 1/100 et moins. Les systèmes solaires photovoltaïques conçus pour une installation extérieure ne produiront généralement pas de courant électrique à de tels niveaux d’éclairage. Ils sont conçus pour fonctionner de manière optimale à des intensités bien plus élevées.
D’un autre côté, les cellules conçues pour des niveaux d’éclairage moins importants, comme celles entrant dans la fabrication des calculatrices de poche par exemple, fonctionneront moins bien en plein soleil.

C’est une question de comparaison. Les cellules solaires modernes mono-jonction ont un rendement d’environ 16%, soit un peu plus du tiers du rendement maximal théorique pour de tels dispositifs. Les cellules multi-jonctions pourraient en théorie atteindre un rendement maximal de 50% et en laboratoire de plus de 30%. Le problème est de parvenir à augmenter le rendement tout en réduisant le coût de la production. Ce coût à très significativement diminué dans les années 2010 mais il reste encore trop élevé pour pouvoir concurrencer les autres formes de production actuelles d’électricité.

Cependant le « carburant » est gratuit, le rendement n’est donc pas le principal facteur imposant actuellement des limites aux systèmes solaires photovoltaïques. Dans la période récente il apparait que la surface nécessaire à la production requise quoique existante est généralement suffisamment limitée ou difficile d’accès pour constituer un frein réel. Cet élément est un point de restriction supplémentaire à celui existant par le coût.

Si l’on compare les systèmes solaires photovoltaïques à d’autres méthodes de production d’énergie, il est important de partir du même point. Etant donné que tous les combustibles fossiles ont tiré à l’origine leur énergie du soleil, si l’on devait mesurer la production électrique tirée de combustibles fossiles à la source d’énergie solaire d’origine, leur rendement serait d’une fraction d’un pour cent ! Avec une telle comparaison, il ne ferait aucun doute que ce serait l’énergie solaire photovoltaïque qui l’emporterait.

Le rendement de système de poursuite dépend du climat et de l’application. Dans les régions très brumeuses ou nuageuses, les suiveurs ne serviront pas à grand-chose puisque la lumière est diffuse. Ce sera également le cas pour des applications où la consommation est la même tous les mois, parce qu’ils n’améliorent pas beaucoup le rendement du système dans les pires conditions (en hiver généralement). Dans des conditions idéales, les systèmes de poursuite permettraient d’améliorer la production photovoltaïque d’un maximum de 40% par jour mais ils rendent le système solaire plus complexe et plus cher et ne sont généralement pas aussi solides que des systèmes fixes. Leur emploi se limite généralement à des applications pour les quelles la possibilité d’augmentation de production grâce à ce système correspond à une augmentation de la demande (répartition d’eau dans les points d’élevage de bétail, dans des régions très ensoleillées par exemple).

Les réflecteurs peuvent un peu augmenter la production dans le cas de raccordement aux réseaux bien que leur effet ne soit pas linéaire. En effet l’augmentation de l’intensité lumineuse entraîne une température de fonctionnement des modules solaires plus élevée, ce qui en réduit l’efficacité.

Qui plus est, une élévation des températures du module solaire et de l’intensité lumineuses peut entraîner une défaillance prématurée du module solaire. C’est la raison pour laquelle l’emploi de réflecteurs n’est généralement pas préconisé et annule même souvent la garantie qui couvre le système solaire.

Cela dépend de l’application et de l’emplacement. En général, si vous disposez d’une source d’alimentation électrique bon marché, comme celle proposé par des compagnies électriques comme EDF, un système solaire photovoltaïque n’est pas directement concurrentiel. Par exemple, il ne serait pas économiquement justifié pour un propriétaire résident dans une quelconque banlieue d’installer un système solaire photovoltaïque pour alimenter toute la maison et de ne plus se raccorder sur le réseau de la compagnie. Cela est techniquement faisable et peut être réalisé par des individus motivés par des considérations d’ordre écologique.

Si vous n’êtes pas branché sur un réseau existant, un système solaire photovoltaïque peut être rentable, même si vous n’êtes pas éloigné d’un point de raccordement. Si la maison est branchée sur un réseau, pour des applications de type décoratifs ou de sécurité cela peut éviter d’avoir à tirer des lignes. Il peut être dans certains cas plus rapide, plus économique et plus sûre d’installer un système solaire photovoltaïque que de tirer des câbles.

Dans le cas où il n’y a pas de réseau d’alimentation de la résidence (bungalows isolés, etc.), un système solaire photovoltaïque peut pourvoir aux besoins électriques les plus courants (à l’exception du chauffage, pour lequel il vaut mieux avoir recours au gaz, au bois ou à un système thermodynamique) et est alors très concurrentiel par rapport à d’autres sources d’électricité.

En général, les modules solaires photovoltaïques sont les composants du système qui vont durer le plus longtemps. Des modules solaires de très haute qualité, comme ceux proposés par Ecosolaire® bénéficient d’une garantie de 20 ans. Ils sont conçus pour résister à toutes les rigueurs de l’environnement : froid arctique, chaleur désertique, humidité tropicale, vents de plus de 200 Km/h et impact de grêlons d’un diamètre de 25mm à vitesse finale.

On considère généralement que la puissance d’un module solaire diminue de 1% par an.

Les batteries dureront un maximum de 7 ans (pour des batteries de qualité industrielle). Les unités étanches plus petites dureront en général 3 à 5 ans. L’efficacité de batteries automobiles sur un système solaire photovoltaïque est très médiocre ; elles ne dureront que 12 à 18 mois. Les batteries sont des composants qui s’usent beaucoup plus vite que les panneaux solaires. Elles sont avec les régulateurs les sources les plus fréquentes de panne.

Les modules solaires photovoltaïques les plus fiables et les plus durables sont revêtus d’une couche de verre. Il s’agit généralement d’un verre trempé à faible teneur en fer, avec une encapsulation faite de couche de plastique. Cette construction est très durable, mais peut se briser sous un fort impact. Si le verre est brisé ou percé, le module solaire va tôt ou tard tomber en panne (et ne plus produire d’électricité) car l’eau va pénétrer dans les cellules solaires et entraîner une corrosion, ce qui peut prendre plusieurs années. D’un autre côté, si le module est endommagé au point où les deux connexions électriques reliant n’importe quelle paire de cellules sont toutes deux coupées, le courant ne pourra pas passer et le module solaire cessera de produire de l’électricité.

En résumé, si l’impact est suffisamment important, tout peut se briser. La meilleure protection contre le vandalisme, le vol et autres catastrophes est une assurance contre les accidents.

Toute personne, ou institution ayant besoin d’électricité et n’étant pas branchée sur un réseau existant est un utilisateur potentiel de systèmes solaires photovoltaïques.