Les panneaux photovoltaïques sont de plus en plus populaires pour produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire. Mais comment fonctionnent-ils exactement ?
Dans cet article, nous vous expliquons le principe de fonctionnement des panneaux solaires et les différentes étapes qui permettent de transformer la lumière du soleil en électricité.
Le principe de base : l’effet photovoltaïque
Pour comprendre le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque, il faut d’abord se pencher sur le phénomène qui est à l’origine de sa production d’électricité : l’effet photovoltaïque.
Cet effet découle directement de l’interaction entre la lumière du soleil, sous forme de photons, et certaines matières appelées semi-conductrices. Il s’agit bien entendu de la même technologie que celle présente dans notre comparatif de groupes électrogènes solaires.
Interactions entre les photons et les matériaux semi-conducteurs
Les photons sont les particules élémentaires qui constituent la lumière. Lorsqu’ils entrent en contact avec un matériau semi-conducteur, ils peuvent transmettre leur énergie aux électrons qui s’y trouvent.
Sous l’effet de cette énergie supplémentaire, certains électrons vont alors être « arrachés » à leurs atomes et vont pouvoir se déplacer librement dans le matériau. Ce mouvement d’électrons crée un courant électrique qui peut être exploité pour alimenter des appareils électriques.
La structure d’un panneau photovoltaïque et les différentes couches d’une cellule photovoltaïque
Le panneau solaire, ou panneau photovoltaïque, est composé de cellules photovoltaïques. Ces cellules sont les éléments actifs qui vont convertir directement l’énergie lumineuse en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
Elles sont généralement fabriquées à partir de silicium, un matériau semi-conducteur très abondant et peu coûteux.
Une cellule photovoltaïque est constituée de plusieurs couches :
- La couche supérieure, appelée « couche anti-reflet » : elle permet de capter un maximum de lumière et d’éviter que celle-ci ne soit simplement réfléchie par la surface de la cellule.
- La couche de silicium dopé de type N : elle contient des atomes ayant moins d’électrons que le silicium et crée une zone riche en électrons.
- La couche de silicium dopé de type P : elle contient des atomes ayant plus d’électrons que le silicium et crée une zone pauvre en électrons.
- La couche inférieure, généralement en métal, qui sert de contact électrique pour récupérer le courant généré par la cellule.
Lorsque les photons frappent la surface de la cellule, ils vont arracher des électrons aux atomes de la couche de silicium dopé de type N. Ces électrons vont alors être attirés par la couche de silicium dopé de type P, créant ainsi un courant électrique qui pourra être collecté et utilisé.
Le rôle des onduleurs dans le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques génèrent un courant électrique continu (CC). Or, les appareils électriques que nous utilisons au quotidien fonctionnent généralement avec un courant alternatif (CA). Pour pouvoir utiliser l’électricité produite par les panneaux solaires, il est donc nécessaire de la convertir en courant alternatif grâce à un dispositif appelé « onduleur ». Les onduleurs sont généralement placés à proximité des panneaux solaires et peuvent être de deux types :
- Les onduleurs centralisés : ils convertissent le courant de l’ensemble des panneaux solaires en une seule fois.
- Les micro-onduleurs : ils sont installés directement sur chaque panneau photovoltaïque et permettent de convertir individuellement le courant de chaque panneau.
Une fois transformée en courant alternatif, l’électricité peut être injectée dans le réseau électrique ou utilisée directement par les appareils électriques du bâtiment équipés de panneaux solaires.
Rendement et facteurs influençant la production d’énergie solaire
Le rendement d’un panneau photovoltaïque correspond à sa capacité à convertir l’énergie lumineuse en électricité. Il dépend de plusieurs facteurs, tels que :
- La qualité et la pureté du silicium utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques.
- L’efficacité des couches anti-reflet et autres traitements appliqués à la surface des cellules.
- Le type d’onduleur utilisé et son rendement de conversion.
En moyenne, le rendement des panneaux solaires actuellement disponibles sur le marché se situe entre 15 % et 20 %. Cela signifie qu’un panneau solaire est capable de convertir environ 15 % à 20 % de l’énergie lumineuse qu’il reçoit en électricité.
Les conditions météorologiques et leur impact sur la production d’énergie solaire
Le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque est également influencé par les conditions météorologiques. En effet, la production d’électricité diminuera lorsque :
- Le niveau d’ensoleillement est faible (ciel nuageux, jours de pluie).
- La température est très élevée : la performance des cellules photovoltaïques diminue en effet avec l’augmentation de la température.
- Le panneau est partiellement ou totalement ombragé : les cellules situées dans l’ombre produiront moins d’électricité que celles exposées au soleil.
Pour optimiser la production d’énergie solaire, il est donc important de bien orienter les panneaux photovoltaïques (généralement vers le sud) et de veiller à ce qu’ils ne soient pas exposés à des sources d’ombre ou de chaleur excessive.
Les avantages et inconvénients d’un panneau photovoltaïque
Le recours aux panneaux solaires présente plusieurs avantages :
- Il s’agit d’une source d’énergie renouvelable et non polluante, qui contribue à la lutte contre le réchauffement climatique.
- Une fois installés, les panneaux solaires nécessitent peu d’entretien et ont une durée de vie relativement longue (environ 25 ans).
- Ils permettent de réaliser des économies sur la facture énergétique et de bénéficier d’aides financières pour leur installation.
Néanmoins, les panneaux photovoltaïques présentent également quelques inconvénients :
- Leur rendement reste encore relativement faible, même si les progrès technologiques permettent d’améliorer régulièrement leur performance.
- Ils sont dépendants des conditions météorologiques, ce qui peut limiter leur production d’électricité dans certaines régions moins ensoleillées.
- Le coût initial d’installation peut être élevé, bien qu’il soit souvent rentabilisé sur le long terme par les économies réalisées sur la facture énergétique.