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ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE

Les principes et les applications

La première photopile a été développée aux États-Unis en 1954 par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photosensibilité du silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés". C'est une technique appelée le "dopage" qui est utilisée pour tous les semi-conducteurs. Mais en dépit de l'intérêt des scientifiques au cours des années, ce n'est que lors de la course vers l'espace que les cellules ont quitté les laboratoires. En effet, les photopiles représentent la solution idéale pour satisfaire les besoins en électricité à bord des satellites, ainsi que dans tout site isolé. Mais aussi actuellement, pour produire de l'électricité directement pour alimenter les réseaux de distribution - sans pollution.

Les cellules

Les cellules polycristallines 
sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vues de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalités différentes).
Elles ont un un rendement de 12 à 14%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules mono-cristallines.
Voir le film du CNRS chez Photowatt "Comment ça fontionne"

Les modules photovoltaïques amorphes
ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n'est que 5 à 8% actuellement, mais les innovations récentes (2011) sont en train de changer les performances radicalement. Cette technologie permet d'utiliser des couches très minces de silicium qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide.
D'autres technologies à couches minces, comme le CIS (cuivre-indium-sélenium) ou CdTe (tellure de cadmium) permettent le captage de différentes fréquences du spectre lumineux et ainsi augmenter le rendement jusqu'à 12%. 

Silicium cristallin ou amorphe ?

Les cellules monocristallines et polycristallines sont les plus répandues (90% du marché en 2008). Étant fragiles, elles sont placées entre deux plaques de verre afin de former un module qui est relativement lourd. Le matériau de base est le silicium qui est très abondant, cependant la qualité nécessaire pour réaliser les cellules doit être d'une très grande pureté et son coût intervient de façon important dans le coût total. La pénurie de silicium de qualité en 2006, a créé une tension sur le marché et une augmentation du prix des cellules. Actuellement (2008), il n'y a plus de problème d'approvisionnement.

Les produits à film mince utilisent peu de matière première. Ils ont servi d'abord pour des applications électriques de faible puissance, comme des montres, des calculatrices, etc. Mais la filière devient compétitive dans les cas où de grands surfaces sont disponibles, et les toitures industrielles constituent un exemple d’application particulièrement pertinente. Pour une capacité installée donnée, la surface requise en couches minces est proche du double de celle d’un système à base de silicium cristallin. Cependant, grâce aux coûts de production nettement moins élevés, la solution couche mince ne coûte pas plus cher. 

De plus, la légèreté des couches minces permet d’éviter l’installation d’une structure supplémentaire de renforcement du toit, nécessaire au soutien des modules cadrés en silicium cristallin. Les couches minces sont ainsi livrées en rouleaux et collées directement sur les bacs aciers ou des membranes d'étanchéité du toit.
De plus, les cellules PV à couches minces sont moins sensibles à une occultation partielle de la surface ou à des températures externes élevées que le silicium cristallin.

D'autres filières en développement, encore peu connues, comme des surfaces photovoltaïques à base de tellure de cadmium ou de matériaux organiques représentent des technologies de l'avenir à fort potentiel. 

Fin 2008, les coûts de production de l'entreprise américaine First Solar, qui produit des cellules à couches minces au Tellurure de Cadmium (CdTe), sont tombés en dessous d'un dollar par watt, et grâce à l'expansion prévue, les coûts devraient approcher 0,65 $/Wc d'ici 2012. Ainsi, l'industrie croit que l'électricité photovoltaïque concurrencera les centrales thermiques conventionnelles vers 2015.

En juillet 2011, la société Uni-Solar, un fabricant américain de modules solaires flexibles a annoncé mardi un rendement record mondial de 16,3% pour la technologie photovoltaïque en couches minces de silicium, grâce à l'utilisation d'une structure triple-jonction qui intègre "Nano-Cystalline", une technologie silicium propriétaire récemment brevetée.

Les applications de générateurs photovoltaïques

Installations autonomes comme les balises en mer, les lampadaires urbains ou les maisons en sites isolés, elles nécessitent le plus souvent un stockage de l'électricité à l'aide d'accumulateurs. S'il faut du courant alternatif, il faut ajouter et un onduleur.

Un onduleur est un dispositif électronique et statique servant à convertir le courant électrique continu (CC) en courant alternatif (CA) avec la fréquence souhaitée. La puissance "apparente" de l'onduleur s'exprime en volt-ampères (VA).

Durée de vie d’un système photovoltaïque

Comme tout produit, les modules photovoltaïques ont une durée de vie qui dépend de la qualité intrinsèque des matériaux le constituant, de son utilisation et de l’environnement dans lequel il est installé. Aussi, il faut savoir que le module solaire n’est qu’une partie du système qui comprend la fixation au support sur lequel il est posé, l’onduleur, le câblage….

Selon les fabricants, les modules photovoltaïques bénéficient de garanties entre 2 et 5 ans. Cependant, la plupart des fabricants garantissent 90% de la puissance initiale des modules au bout de 10 ans et 80% au bout de 20 à 25 ans. Cette garantie ne fonctionne uniquement que si le module est intact. En effet, dans le cas où le module subit un orage de grêle dans la 8ème année après la pose et ne délivre plus que 50% de sa puissance initiale, la garantie "produit" n’est plus valable et comme le produit est dégradé physiquement, la garantie "puissance" n’est plus valable non plus. 

Néanmoins, sans imprévu, un module photovoltaïque doit fonctionner avec au moins 80% de sa puissance initiale pendant plus de 20 ans. Par contre, la durée de vie des onduleur est généralement moins de 10 ans. La garantie fabricant est de 5 ans avec une extension (payante) de 5 ans supplémentaire. Donc, il faut prévoir de changer les onduleurs (au moins en partie) au cours de la vie du système.

Voir aussi : Bilan énergétique et Un avenir proche