Types de panneaux solaires : aperçu comparatif des constructions et conseils pour choisir les panneaux

Les énergies alternatives se développent considérablement en Europe, démontrant leur potentiel par leurs résultats. De nouveaux types de panneaux solaires apparaissent et leur rendement augmente.

Si vous souhaitez alimenter un bâtiment industriel ou un logement grâce à l'énergie solaire, il est nécessaire de connaître au préalable les différences entre les équipements et de comprendre quels panneaux solaires conviennent aux conditions climatiques d'une région donnée.

Nous vous aiderons à y voir plus clair. Cet article examine le principe de fonctionnement des convertisseurs photovoltaïques, présente un aperçu des différents types de panneaux solaires avec leurs caractéristiques, avantages et inconvénients. Après avoir pris connaissance de ce contenu, vous serez en mesure de faire le bon choix pour installer un système solaire efficace.

Principe de fonctionnement des panneaux solaires

La grande majorité des panneaux solaires sont, au sens physique, des convertisseurs photovoltaïques. L'effet de génération électrique se produit au niveau de la jonction p-n du semi-conducteur.

Ce sont les plaquettes de silicium qui constituent l'essentiel du coût des panneaux solaires, mais si vous les utilisez comme source d'électricité 24 heures sur 24, vous devrez acheter en plus des batteries coûteuses.

Le panneau est composé de deux plaquettes de silicium aux propriétés différentes. Sous l'action de la lumière, l'une d'elles subit un manque d'électrons, tandis que l'autre en a un excès. Chaque plaquette comporte des bandes de cuivre conductrices qui sont connectées aux convertisseurs de tension.

Un panneau solaire industriel est composé de nombreuses cellules photovoltaïques laminées, assemblées entre elles et fixées sur un support flexible ou rigide.

Le rendement de l'équipement dépend en grande partie de la pureté du silicium et de l'orientation de ses cristaux. Ce sont ces paramètres que les ingénieurs tentent d'améliorer depuis des décennies. Le principal problème réside dans le coût élevé des processus de purification du silicium et d'alignement des cristaux dans une seule direction sur l'ensemble du panneau.

Chaque année, les rendements maximaux des différents panneaux solaires augmentent, car des milliards de dollars sont investis dans la recherche de nouveaux matériaux photovoltaïques (+)

Les semi-conducteurs des convertisseurs photovoltaïques peuvent être fabriqués non seulement en silicium, mais aussi en d'autres matériaux – le principe de fonctionnement de la batterie ne change pas pour autant.

Types de convertisseurs photovoltaïques

Les panneaux solaires industriels sont classés selon leurs caractéristiques structurelles et le type de couche photovoltaïque active.

On distingue les types de batteries suivants selon leur conception :

• panneaux flexibles;
• modules rigides.

Les panneaux flexibles à couche mince occupent progressivement une part de marché croissante grâce à leur polyvalence d'installation, car ils peuvent être installés sur la plupart des surfaces aux formes architecturales variées.

Les performances réelles des panneaux solaires sont généralement inférieures à celles indiquées dans le manuel. Par conséquent, avant de les installer chez vous, il est conseillé de voir par vous-même un projet similaire déjà réalisé.

Selon le type de couche photovoltaïque active, les batteries solaires sont divisées en les variétés suivantes :

1. Silicium : monocristallins, polycristallins, amorphes.
2. Tellurure de cadmium.
3. À base de séléniure d'indium-cuivre-gallium.
4. Polymères.
5. Organiques.
6. À base d'arséniure de gallium.
7. Combinés et multicouches.

Tous les types de panneaux solaires n'intéressent pas le grand public, mais seulement les deux premiers sous-types cristallins.

Bien que certains autres types de panneaux aient des rendements plus élevés, en raison de leur coût élevé, ils ne se sont pas répandus.

Les cellules photovoltaïques en silicium sont assez sensibles à la chaleur. La température de base pour mesurer la production d'électricité est de 25°C. Lorsqu'elle augmente d'un degré, l'efficacité des panneaux diminue de 0,45 à 0,5 %.

Nous examinerons ensuite en détail les panneaux solaires qui présentent le plus grand intérêt pour les consommateurs.

Caractéristiques des panneaux à base de silicium

Le silicium pour les panneaux solaires est fabriqué à partir de poudre de quartz – des cristaux de quartz broyés. Les gisements les plus riches en matières premières se trouvent en Sibérie occidentale et dans l'Oural moyen, de sorte que les perspectives de cette filière de l'énergie solaire sont pratiquement illimitées.

Même aujourd'hui, les panneaux de silicium cristallin et amorphe occupent déjà plus de 80 % du marché. Il vaut donc la peine de les examiner plus en détail.

Panneaux en silicium monocristallin

Les plaques de silicium monocristallin modernes (mono-Si) ont une couleur bleu foncé uniforme sur toute leur surface. Le silicium le plus pur est utilisé pour leur production. Parmi toutes les plaques de silicium, les cellules photovoltaïques monocristallines ont le prix le plus élevé, mais offrent également le meilleur rendement.

Les grands panneaux solaires monocristallins équipés de mécanismes d'orientation s'intègrent parfaitement dans les paysages désertiques. Les conditions y sont réunies pour une productivité maximale.

Le coût élevé de production est dû à la difficulté d'orienter tous les cristaux de silicium dans une même direction. En raison de ces propriétés physiques de la couche active, le rendement maximal n'est obtenu que lorsque les rayons du soleil frappent perpendiculairement la surface de la plaque.

Les panneaux monocristallins nécessitent un équipement supplémentaire qui les fait pivoter automatiquement au cours de la journée afin que le plan des panneaux soit aussi perpendiculaire que possible aux rayons du soleil.

Les couches de silicium dont les cristaux sont orientés dans un seul sens sont découpées dans un bloc métallique cylindrique, de sorte que les blocs photovoltaïques finis ont la forme d'un carré aux coins arrondis.

Parmi les avantages des panneaux de silicium monocristallin, on peut citer :

1. Rendement élevé avec une valeur de 17 à 25 %.
2. Compacité – une surface d'installation plus faible par unité de puissance, par rapport aux panneaux de silicium polycristallin.
3. Longévité – une efficacité de production d'électricité suffisante est garantie jusqu'à 25 ans.

Ces panneaux n'ont que deux inconvénients :

1. Coût élevé et retour sur investissement long.
2. Sensibilité à la saleté. La poussière disperse la lumière, de sorte que l'efficacité des panneaux solaires recouverts de poussière chute considérablement.

En raison du besoin en rayons directs du soleil, monocristallins panneaux solaires sont installés principalement sur des espaces ouverts ou en hauteur. Plus la région est proche de l'équateur et plus elle compte de jours ensoleillés, plus l'installation de ce type d'éléments photovoltaïques est préférable.

Panneaux solaires polycristallins

Les panneaux en silicium polycristallin (multi-Si) présentent une coloration bleue d'intensité inégale en raison de l'orientation diverse des cristaux. La pureté du silicium utilisé dans leur fabrication est légèrement inférieure à celle des panneaux monocristallins.

La diversité d'orientation des cristaux offre un rendement élevé sous lumière diffuse – 12-18 %. Ce rendement est inférieur à celui des cristaux unidirectionnels, mais par temps nuageux, ces panneaux s'avèrent plus efficaces.

L'hétérogénéité du matériau entraîne également une réduction du coût de production du silicium. Le métal purifié pour les panneaux solaires polycristallins est coulé dans des moules sans complications particulières.

Dans la production, des techniques spéciales sont utilisées pour former les cristaux, mais leur orientation n'est pas contrôlée. Après refroidissement, le silicium est découpé en couches et traité selon un algorithme spécifique.

Les panneaux polycristallins ne nécessitent pas une orientation constante vers le soleil, c'est pourquoi les toits des maisons et des bâtiments industriels sont souvent utilisés pour leur installation.

Pendant la journée, par temps légèrement nuageux, les avantages des panneaux solaires en silicium amorphe ne seront pas perceptibles ; leurs atouts ne se révèlent que sous des nuages épais ou à l'ombre (+).

Parmi les avantages des panneaux solaires à cristaux multidirectionnels, on compte :

1. Haute efficacité dans des conditions de lumière diffuse.
2. Possibilité de montage fixe sur les toits des bâtiments.
3. Coût inférieur par rapport aux panneaux monocristallins.
4. Durée de vie – la baisse de rendement après 20 ans d'utilisation n'est que de 15 à 20 %.

Les panneaux polycristallins présentent également des inconvénients :

1. Rendement réduit de 12 à 18 %.
2. Encombrement relatif – nécessite plus d'espace d'installation par unité de puissance par rapport aux panneaux monocristallins.

Les panneaux solaires polycristallins gagnent une part de marché croissante parmi les autres batteries en silicium. Cela est dû aux vastes possibilités de réduction des coûts de production. Le rendement de ces panneaux augmente chaque année, approchant rapidement les 20 % pour les produits grand public.

Panneaux solaires en silicium amorphe

Le mécanisme de production des panneaux solaires en silicium amorphe diffère fondamentalement de la fabrication des cellules photovoltaïques cristallines. On n'utilise pas ici le non-métal pur, mais son hydrure, dont les vapeurs chaudes se déposent sur un substrat.

Grâce à cette technologie, les cristaux classiques ne se forment pas, et les coûts de production diminuent considérablement.

Les photocellules en silicium amorphe déposé peuvent être fixées aussi bien sur un substrat polymère flexible que sur une feuille de verre rigide.

Actuellement, il existe déjà trois générations de panneaux en silicium amorphe, dont chacune voit son rendement nettement augmenter. Si les premiers modules photovoltaïques avaient un rendement de 4 à 5 %, les modèles de deuxième génération avec un rendement de 8 à 9 % sont désormais vendus en masse sur le marché.

Les panneaux amorphes les plus récents ont un rendement allant jusqu'à 12 % et commencent à apparaître dans le commerce, mais ils sont encore assez chers.

Grâce aux particularités de cette technologie de fabrication, une couche de silicium peut être créée aussi bien sur un substrat rigide que sur un substrat flexible. Pour cette raison, les modules en silicium amorphe sont activement utilisés dans les modules solaires flexibles à couche mince. Mais les versions avec substrat élastique coûtent beaucoup plus cher.

La structure physico-chimique du silicium amorphe permet d'absorber au maximum les photons de la lumière diffuse faible pour générer de l'électricité. C'est pourquoi ces panneaux sont pratiques pour une utilisation dans les régions nordiques avec de grandes superficies libres.

L'efficacité des batteries à base de silicium amorphe ne diminue pas non plus à haute température, même si elles sont inférieures à cet égard aux panneaux en arséniure de gallium.

À coût d'équipement égal, les panneaux solaires en hydrure de silicium présentent une productivité plus élevée que leurs homologues mono- et polycristallins (+).

En résumé, on peut citer les avantages suivants des panneaux solaires amorphes :

1. Polyvalence – possibilité de fabriquer des panneaux flexibles et minces, montage de batteries sur toutes les formes architecturales.
2. Rendement élevé en lumière diffuse.
3. Fonctionnement stable à hautes températures.
4. Simplicité et fiabilité de la construction. Ces panneaux ne se cassent pratiquement jamais.
5. Maintien de la fonctionnalité dans des conditions difficiles – une baisse de performance moindre en cas de surface poussiéreuse que chez les homologues cristallins.

La durée de vie de ces éléments photovoltaïques, à partir de la deuxième génération, est de 20 à 25 ans avec une baisse de puissance de 15 à 20 %. Les inconvénients des panneaux en silicium amorphe ne comprennent que le besoin de surfaces plus grandes pour installer l'équipement de la puissance requise.

Aperçu des dispositifs sans silicium

Certains panneaux solaires fabriqués à l'aide de métaux rares et coûteux ont un rendement supérieur à 30 %. Ils sont plusieurs fois plus chers que leurs homologues en silicium, mais ils ont tout de même occupé une niche commerciale de haute technologie grâce à leurs caractéristiques particulières.

Panneaux solaires en métaux rares

Il existe plusieurs types de panneaux solaires en métaux rares, et ils n'ont pas tous un rendement supérieur à celui des modules monocristallins en silicium.

Cependant, la capacité à fonctionner dans des conditions extrêmes permet aux fabricants de ces panneaux solaires de produire des produits compétitifs et de poursuivre leurs recherches.

Les panneaux en tellurure de cadmium sont activement utilisés pour le revêtement des bâtiments dans les pays équatoriaux et arabes, où leur surface chauffe jusqu'à 70-80 degrés pendant la journée.

Les principaux alliages utilisés pour la fabrication des cellules photovoltaïques sont le tellurure de cadmium (CdTe), le séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) et le séléniure de cuivre-indium (CIS).

Le cadmium est un métal toxique, tandis que l'indium, le gallium et le tellure sont assez rares et coûteux, de sorte que la production en masse de panneaux solaires à base de ceux-ci est même théoriquement impossible.

Le rendement de ces panneaux se situe entre 25 et 35 %, bien que dans des cas exceptionnels il puisse atteindre 40 %. Auparavant, ils étaient principalement utilisés dans le secteur spatial, mais aujourd'hui une nouvelle direction prometteuse est apparue.

En raison du fonctionnement stable des cellules photovoltaïques en métaux rares à des températures de 130 à 150 °C, elles sont utilisées dans les centrales solaires thermiques. Les rayons du soleil provenant de dizaines ou de centaines de miroirs sont concentrés sur un petit panneau, qui génère simultanément de l'électricité et assure le transfert d'énergie thermique à un échangeur de chaleur à eau.

En chauffant l'eau, de la vapeur est produite, ce qui fait tourner une turbine et génère de l'électricité. Ainsi, l'énergie solaire est convertie en électricité simultanément par deux voies avec une efficacité maximale.

Alternatives polymères et organiques

Les modules photovoltaïques à base de composés organiques et polymères n'ont commencé à être développés que dans la dernière décennie, mais les chercheurs ont déjà obtenu des succès significatifs. Les plus grands progrès sont réalisés par la société européenne Heliatek, qui a déjà équipé plusieurs immeubles de grande hauteur de panneaux solaires organiques.

L'épaisseur de sa structure en film en rouleau de type HeliaFilm n'est que de 1 mm.

Dans la production de panneaux polymères, des substances telles que les fullerènes de carbone, la phtalocyanine de cuivre, le polyphénylène et d'autres sont utilisées. Le rendement de ces cellules photovoltaïques atteint déjà 14-15 %, et le coût de production est plusieurs fois inférieur à celui des panneaux solaires cristallins.

La question de la durée de dégradation de la couche active organique se pose de manière aiguë. Pour l'instant, il n'est pas possible de confirmer de manière fiable son niveau de rendement après plusieurs années de fonctionnement.

Les avantages des panneaux solaires organiques sont :

• la possibilité d'une élimination écologique ;
• le faible coût de production ;
• la structure flexible.

Les inconvénients de ces cellules photovoltaïques incluent un rendement relativement faible et l'absence d'informations fiables sur la durée de fonctionnement stable des panneaux. Il est possible que dans 5 à 10 ans, tous les inconvénients des cellules photovoltaïques organiques disparaissent et qu'elles deviennent de sérieux concurrents des plaques de silicium.

Quel panneau solaire choisir ?

Le choix de panneaux solaires pour les maisons de campagne à la latitude 45-60° n'est pas difficile. Il faut considérer seulement deux options : les panneaux polycristallins et monocristallins en silicium.

En cas de manque d'espace, il est préférable de choisir des modèles plus efficaces avec une orientation unilatérale des cristaux ; si la surface est illimitée, il est recommandé d'acheter des panneaux polycristallins.

Il ne faut pas se fier aux prévisions des sociétés d'analyse sur le développement du marché des panneaux solaires, car leurs meilleurs spécimens n'ont peut-être pas encore été inventés.

Il est préférable de choisir un fabricant spécifique, la puissance requise et les équipements supplémentaires avec l'aide des responsables des entreprises qui vendent et installent ces équipements. Il faut savoir que la qualité et le prix des modules photovoltaïques diffèrent peu chez les plus grands fabricants.

Il faut tenir compte du fait que lors de la commande d'un ensemble d'équipements « clé en main », le coût des panneaux solaires eux-mêmes ne représentera que 30 à 40 % du montant total. Les délais de rentabilité de ces projets sont de 5 à 10 ans et dépendent du niveau de consommation d'énergie et de la possibilité de vendre le surplus d'électricité au réseau urbain.

Certains artisans préfèrent assembler eux-mêmes les panneaux solaires. Sur notre site, vous trouverez des articles décrivant en détail la technologie de fabrication de ces panneaux, leur raccordement et l'installation de systèmes solaires de chauffage.

Nous vous conseillons de consulter :

1. Comment fabriquer un panneau solaire de vos propres mains : guide de montage autonome
2. Systèmes de chauffage solaire : analyse des technologies de mise en place du chauffage à base de systèmes solaires thermiques
3. Schéma de connexion des panneaux solaires : au contrôleur, à la batterie et aux systèmes entretenus

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Les vidéos présentées montrent le fonctionnement de différents panneaux solaires dans des conditions réelles. Elles vous aideront également à comprendre les questions de choix de l'équipement associé.

Règles pour choisir les panneaux solaires et l'équipement associé :

Types de panneaux solaires :

Test d'un panneau monocristallin et polycristallin :

Pour les particuliers et les petits sites industriels, il n'existe pas encore d'alternative réelle aux panneaux en silicium cristallin. Mais le rythme de développement de nouveaux types de panneaux solaires permet d'espérer que bientôt l'énergie solaire deviendra la principale source d'électricité dans de nombreuses maisons de campagne.

Nous invitons tous ceux qui s'intéressent au choix et à l'utilisation des panneaux solaires à laisser des commentaires, poser des questions et participer aux discussions. Le formulaire de contact se trouve dans le bloc inférieur.