L’économie mondiale de l’énergie est en train de changer de vitesse. Le coût de l’énergie solaire diminue de façon si spectaculaire que, dans une grande partie du monde, l’énergie solaire est désormais moins chère que celle produite à partir de combustibles fossiles.
Selon un rapport récent d’Energy Innovation, l’énergie éolienne et l’énergie solaire sont dorénavant moins chères qu’environ trois quarts de la production d’énergie au charbon aux États-Unis.
En mai 2019, l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a indiqué que de nouveaux projets photovoltaïques dans certains pays comme le Chili, le Mexique, le Pérou, l’Arabie saoudite et les Émirats arabes unis ont permis d’atteindre un coût nivelé de l’électricité de seulement 0,03 $ /kWh.
Très bas par rapport aux nouvelles centrales à combustibles fossiles, qui varient globalement de 0,05 $ /kWh à plus de 0,15 $ /kWh. Qui plus est, l’IRENA prévoit que cette tendance se poursuivra au moins pendant les dix prochaines années.
Grâce au faible impact environnemental des panneaux solaires, il est indéniable que l’énergie solaire est et restera un acteur essentiel de l’avenir de l’économie énergétique. Les entreprises et les ménages bénéficieront tous de la baisse des prix des énergies renouvelables. Comprendre l’énergie solaire et savoir comment en tirer parti sera essentiel pour les uns comme pour les autres dans les années à venir.
Que sont les panneaux solaires ?
Commençons par l’essentiel. Si vous ne les avez pas vus sur les toits ou dans les champs, vous les avez vus dans les médias. De grands panneaux bleus qui, en quelque sorte, produisent silencieusement de l’électricité propre. Mais de quels matériaux sont-ils composés ? Pourquoi les cellules individuelles ont-elles une forme si spécifique ? Pourquoi occupent-elles une si grande surface ? Et pourquoi sont-ils bleus ?
Les panneaux solaires sont constitués de cellules solaires individuelles. Ces cellules convertissent l’énergie lumineuse du soleil en énergie électrique. Celle-ci peut ensuite être stockée ou utilisée directement. Chaque cellule peut générer environ 5 watts, ce qui est suffisant pour alimenter un chargeur de smartphone. Pour alimenter quelque chose de plus (c’est-à-dire la plupart des objets), les cellules doivent être assemblées pour former un panneau solaire.
Les cellules sont le plus souvent constituées de silicium, souvent sous la forme d’un monocristal. Ces cellules de silicium monocristallin sont découpées à partir d’un grand cristal cylindrique de silicium. Afin de maximiser la taille de la cellule solaire qui peut être découpée à partir d’une tranche ronde comme celle-ci, les bords sont sacrifiés.
Qu’en est-il de la taille des panneaux solaires ?
Les panneaux solaires typiques comptent entre 60 et 72 cellules et ont une puissance nominale d’approximativement 320 watts. La consommation énergétique quotidienne d’une maison moyenne au est d’approximativement 12,7 kWh contre 2,5 kWh en Inde, selon des données de 2010. Si l’on prend quelques chiffres, cela signifie qu’une maison anglaise moyenne aurait besoin d’une installation de 10 panneaux pour produire toute son énergie à partir de l’énergie solaire.
Quel est le principe physique de l’énergie solaire ? Il s’avère qu’il y a plus d’une façon de capter les rayons du soleil. Il existe plusieurs technologies d’énergie solaire différentes, notamment l’énergie solaire thermique, l’énergie solaire concentrée et l’énergie solaire photovoltaïque (PV). Les deux premières convertissent l’énergie solaire en énergie thermique, tandis que la dernière convertit l’énergie solaire en énergie électrique.
La technologie PV est la plus courante et celle à laquelle la plupart des gens pensent lorsqu’ils pensent aux panneaux solaires. Ces panneaux PV sont fabriqués à partir de silicium, comme décrit ci-dessus, les deux types les plus courants étant le silicium monocristallin et le silicium polycristallin. Les panneaux solaires polycristallins ne sont généralement pas constitués de cellules individuelles, mais d’une seule pièce de silicium plus grande. Les autres technologies photovoltaïques comprennent les cellules photovoltaïques à couche mince et les cellules photovoltaïques concentrées.
Toutes les technologies photovoltaïques fonctionnent sur le même principe, aussi, pour que les choses restent gérables, concentrons-nous sur les cellules de silicium et leur fonctionnement.
Comment fonctionnent les panneaux solaires ?
Les panneaux solaires en silicium, et donc les cellules solaires, ont un principe de fonctionnement très simple. La lumière du soleil frappe la cellule et fait sortir les électrons de leur position, par ailleurs stable. Ceux-ci quittent le silicium et se déplacent dans un circuit électrique, alimentant nos appareils.
Les cellules solaires sont constituées d’un certain nombre de couches :
- Couche protectrice transparente Cette première couche est généralement constituée de verre ou d’un autre matériau transparent qui laisse passer la lumière jusqu’au silicium sous-jacent tout en protégeant les couches de silicium et de métal des dommages causés par l’environnement.
- Couche antireflet Cette couche est assez impressionnante. La couche de silicium elle-même a une forte réflectivité et environ 30 % de la lumière incidente sur elle serait réfléchie. Le revêtement antireflet réduit considérablement la quantité de lumière réfléchie en permettant à la lumière de traverser la couche de silicium sans s’échapper. Pour ce faire, il doit avoir une épaisseur parfaitement adaptée.
En fait, la lumière se réfléchit à la fois sur le haut et sur le bas de la couche antireflet, mais l’épaisseur de la couche est parfaitement choisie pour que les ondes lumineuses réfléchies par l’une ou l’autre des surfaces s’annulent exactement. Par conséquent, il ne reste que la lumière transmise à travers la couche antireflet.
Le problème est toutefois que cette annulation de la lumière dépend de la longueur d’onde de la lumière. Comme la lumière du soleil est un mélange de nombreuses longueurs d’onde (les couleurs de l’arc-en-ciel), l’antireflet ne peut pas fonctionner parfaitement, mais il peut être optimisé pour certaines longueurs d’onde. Il s’avère que la raison pour laquelle les cellules solaires sont bleues est que la couche antireflet est plus efficace lorsqu’elle réduit la réflexion de la région du spectre allant du vert au rouge en passant par le jaune, ce qui fait que le bleu est légèrement plus réfléchi que les autres couleurs.
Silicium
C’est dans le silicium de type P et de type N que la magie opère. C’est là que la lumière, si importante, sépare les électrons et génère un courant. Cela est possible grâce à l’utilisation de deux types de silicium légèrement différents en contact l’un avec l’autre.
L’un a une charge positive (type P) et l’autre une charge négative (type N). Il en résulte une tension entre les deux types. La lumière (via les photons) transmet de l’énergie aux électrons de ces deux types de silicium, ce qui leur permet de passer dans un circuit électrique à l’aide de la tension susmentionnée.
Les contacts métalliques
Après avoir mobilisé les électrons dans le silicium, il faut les extraire via des conducteurs métalliques. Le contact inférieur est une plaque métallique tout à fait normale, ouvrant toute la surface de la cellule. Ceci afin de maximiser la quantité de lumière atteignant le silicium tout en minimisant la longueur que les électrons doivent parcourir à travers le silicium avant d’atteindre le métal.
Si le contact métallique couvrait tout le panneau, il obstruerait toute lumière. Si le métal n’entourait que le bord extérieur de la cellule solaire, la plupart des électrons n’atteindraient jamais le contact.
Comment les panneaux solaires produisent-ils de l’électricité ?
Nous connaissons maintenant les principaux morceaux d’une cellule solaire. Mais que se passe-t-il réellement à l’intérieur du silicium ? Pour mieux comprendre, nous devons tout d’abord préciser que le silicium n’est pas un matériau particulièrement conducteur, comme le métal, mais qu’il n’est pas non plus un isolant comme le caoutchouc. Au contraire, c’est un entre-deux.
Il s’agit d’un semi-conducteur, ce qui veut dire que dans des conditions habituelles, il a une faible conductivité. Mais il se transforme en excellent conducteur dans certaines autres conditions, par exemple sous l’effet d’une tension appliquée. C’est pourquoi il peut être utilisé comme un interrupteur dans certains circuits intégrés.
Le silicium cristallin utilise ses quatre électrons disponibles pour se lier aux quatre atomes de silicium environnants. Il ne lui reste donc plus d’électrons pour conduire l’électricité. Si nous ajoutons une petite quantité de phosphore, qui possède cinq électrons disponibles, au silicium, nous ajoutons effectivement un électron supplémentaire pour chaque atome de phosphore supplémentaire. C’est ce qu’on appelle le dopage. Cette zone de silicium est maintenant dopée négativement et on l’appelle donc un semi-conducteur de type N.
Nous pouvons faire de même avec le bore, qui possède un électron de moins que le silicium. Cela enlève un électron de la structure du silicium. L’absence d’électron qui en résulte agit comme une charge positive effective, que nous appelons un trou. Cette zone du silicium est dite de type P. Nous pouvons à présent créer une plaquette de silicium dont la partie supérieure est constituée de silicium de type N et la partie inférieure, de type P.
Lorsque le silicium de type N et de type P est en contact, les électrons supplémentaires du type N se précipitent pour se combiner avec les trous du type P, créant ainsi une zone sans électrons ni trous libres, appelée couche d’appauvrissement. Étant donné que les atomes de phosphore ont perdu leur cinquième électron, ils sont maintenant positivement chargés. Et les atomes de bore, qui ont désormais un électron supplémentaire, ont une charge négative nette. Le résultat est un champ électrique entre les deux zones, ou plus important, une tension (la tension est le champ électrique divisé par la charge).
Nous avons donc désormais un semi-conducteur en silicium avec une tension. Si nous donnons aux électrons l’énergie nécessaire pour se déplacer, la tension leur indiquera où aller. Cette énergie vient de la lumière du soleil.
La lumière peut être considérée comme des paquets d’énergie en forme de particules appelés photons. Lorsqu’un photon de l’énergie appropriée entre en collision avec un électron dans la couche d’appauvrissement, il fait sortir l’électron de sa position, (re)créant ainsi une paire électron-trou. Sous l’influence de la tension, l’électron migre vers un côté du silicium et le trou vers l’autre.
Maintenant, lorsque nous connectons un conducteur électrique (un fil) d’un côté de la plaquette à l’autre, les électrons peuvent circuler dans ce conducteur.