De quoi est composé un panneau photovoltaïque ?

Un panneau photovoltaïque transforme le rayonnement solaire en électricité solaire grâce à des matériaux spécifiques. Son fonctionnement repose sur plusieurs composants essentiels.

• Le cadre en aluminium assure la rigidité, le verre trempé protège les cellules et la feuille arrière préserve l’étanchéité.
• Les cellules photovoltaïques en silicium monocristallin, polycristallin ou en couches minces captent la lumière du soleil et génèrent un courant électrique.
• Jusqu’à 95 % des matériaux d’un module photovoltaïque sont recyclables, réduisant ainsi l’empreinte écologique des installations solaires.

Les composants essentiels d’un panneau photovoltaïque

Un panneau photovoltaïque est composé de plusieurs éléments qui assurent sa solidité et son bon fonctionnement. Chaque composant joue un rôle précis dans la conversion du rayonnement solaire en électricité solaire.

Le cadre en aluminium

Le cadre en aluminium entoure le panneau solaire photovoltaïque et assure sa rigidité. Ce matériau est choisi pour sa légèreté et sa résistance aux intempéries. Il protège les modules solaires contre les déformations causées par le vent, la neige ou la dilatation thermique.

L’aluminium est également un matériau recyclable, ce qui réduit l’impact environnemental des installations photovoltaïques. Un cadre solide permet une meilleure fixation sur les toitures et optimise l’inclinaison du panneau solaire pour un haut rendement.

Le verre de protection

Le verre trempé recouvre la face avant du panneau solaire photovoltaïque. Il protège les cellules photovoltaïques des chocs, des UV, de l’humidité et des salissures. Cet élément est parfois traité avec un revêtement antireflet. Cela améliore l’absorption du rayonnement solaire. Sa robustesse permet d’éviter les fissures et les infiltrations d’eau. Un panneau photovoltaïque bien protégé offre un meilleur rendement sur le long terme.

La feuille arrière (backsheet)

La feuille arrière protège l’arrière du panneau solaire photovoltaïque. Elle est généralement composée de polyester, de polyéthylène ou de Tedlar, des matériaux qui assurent une parfaite étanchéité. Son rôle est de préserver les cellules photovoltaïques des variations de température, des UV et de l’humidité.

Cette couche renforce la durabilité du module photovoltaïque en évitant les infiltrations qui pourraient altérer son rendement de conversion. Une feuille arrière de qualité prolonge la durée de vie des panneaux photovoltaïques.

Le cœur du panneau : la matrice cellulaire

La matrice cellulaire est l’élément central d’un panneau photovoltaïque. Elle regroupe plusieurs cellules solaires qui captent la lumière du soleil et génèrent un courant électrique.

Les cellules photovoltaïques en silicium

Les cellules photovoltaïques en silicium sont les plus utilisées dans la fabrication des panneaux solaires photovoltaïques. Elles assurent un bon rendement et une durée de vie prolongée.

Cellules monocristallines

Les cellules monocristallines sont fabriquées à partir d’un unique cristal de silicium. Leur structure uniforme améliore la circulation des électrons, ce qui permet un rendement élevé, compris entre 16 % et 24 %. Ces cellules sont reconnaissables à leur couleur noire et leur surface lisse.

Leur coût de fabrication est plus élevé en raison du procédé de cristallisation plus complexe. En revanche, grâce à leur meilleure efficacité, elles occupent moins d’espace pour produire la même quantité d’électricité qu’un panneau polycristallin. Elles sont particulièrement adaptées aux installations photovoltaïques avec un espace limité.

Cellules polycristallines

Les cellules polycristallines sont fabriquées à partir de plusieurs cristaux de silicium fondus ensemble. Leur rendement est légèrement inférieur, généralement compris entre 14 % et 18 %. Elles présentent un aspect bleuté avec une structure moins homogène.

Ces cellules sont plus faciles à produire et donc moins coûteuses que les monocristallines. Elles conviennent aux installations solaires de grande surface où l’espace disponible n’est pas un problème. Toutefois, leur efficacité diminue plus rapidement en cas de faible ensoleillement ou de température élevée.

Les cellules en couches minces

Les cellules en couches minces utilisent des matériaux semi-conducteurs déposés en fines couches sur un substrat ( verre ou du plastique). Contrairement aux cellules cristallines, elles nécessitent moins de silicium, ce qui réduit leur coût de production. Il existe différentes technologies :

• Tellurure de cadmium (CdTe) : il s’agit de la technologie la plus utilisée parmi les cellules en couches minces. Elle offre un bon rendement et un coût de production réduit. Cependant, le cadmium est un métal toxique, ce qui pose des problèmes environnementaux lors du recyclage.
• CIS/CIGS (Cuivre, Indium, Sélénium/Gallium) : ces cellules ont un rendement supérieur à celui des autres technologies en couches minces. Elles fonctionnent mieux en cas de faible ensoleillement. Toutefois, leur coût est plus élevé en raison de la rareté des matériaux utilisés.
• Arséniure de gallium (GaAs) : cette technologie est principalement utilisée pour les applications spatiales et militaires. Elle offre un rendement record, mais son coût reste prohibitif pour un usage résidentiel.

Les panneaux solaires en couches minces sont plus légers et flexibles, ce qui facilite leur intégration sur différentes surfaces. Ils fonctionnent même avec un faible ensoleillement et offrent un bon rendement en conditions diffuses. En revanche, leur rendement global reste inférieur à celui des cellules en silicium cristallin, se situant généralement entre 10 % et 13 %. Leur durée de vie est également plus courte.

La grille conductrice et les diodes by-pass

La grille conductrice joue un rôle essentiel dans la transmission du courant électrique produit par les cellules photovoltaïques. Elle est constituée de fines lignes métalliques en cuivre ou en argent, déposées sur la surface des cellules. Ces conducteurs collectent l’électricité générée par le mouvement des électrons et la dirigent vers le circuit du panneau photovoltaïque. Une grille bien conçue limite la résistance électrique et maximise le rendement du module solaire.

Les diodes by-pass sont installées dans le boîtier de jonction du panneau solaire. Elles permettent d’éviter les pertes d’énergie en cas d’ombrage partiel ou de dysfonctionnement d’une cellule. Lorsqu’une partie du panneau est couverte par une ombre, les cellules touchées produisent moins d’électricité. Cela peut entraîner une baisse du rendement de l’ensemble du module.

Les diodes by-pass permettent de contourner ces cellules affectées. Cela maintient ainsi la production électrique du panneau à un niveau optimal. Elles protègent également le circuit contre les risques de court-circuit et de surchauffe.

Les éléments d’encapsulation et d’étanchéité

L’encapsulant EVA (éthylène-acétate de vinyle)

L’encapsulant EVA protège les cellules photovoltaïques contre l’humidité, la poussière et les variations de température. Il se compose de deux couches placées au-dessus et en dessous des cellules solaires. Ce matériau plastique transparent assure une bonne transmission de la lumière du soleil.

Il garantit aussi une adhésion parfaite entre les différentes couches du panneau photovoltaïque, évitant la délamination. Grâce à ses propriétés isolantes, l’EVA prévient les courts-circuits et stabilise les performances du module photovoltaïque.

La membrane arrière en PVF ou verre bi-face

La membrane arrière protège le panneau solaire photovoltaïque des infiltrations d’eau et des variations thermiques. Fabriquée en polyfluorure de vinyle (PVF) ou en polymères, elle assure une étanchéité efficace tout en limitant les pertes thermiques. Elle renforce l’isolation électrique et évite l’usure prématurée des cellules photovoltaïques.

Certains panneaux solaires utilisent une structure bi-verre, remplaçant la membrane par une plaque de verre à l’arrière. Cette option améliore la résistance mécanique du module et capte une partie du rayonnement solaire réfléchi sous le panneau.

Les éléments électriques du panneau

Les éléments électriques assurent la transmission du courant électrique produit par les cellules photovoltaïques. Ils permettent le raccordement sécurisé du panneau solaire photovoltaïque à l’installation électrique.

Le boîtier de jonction

Le boîtier de jonction est situé à l’arrière du panneau solaire photovoltaïque. Il protège les connexions électriques et regroupe les fils conducteurs. Ce composant permet de diriger le courant continu généré vers l’installation photovoltaïque. Il contient des diodes by-pass qui réduisent les pertes d’énergie en cas d’ombrage ou de dysfonctionnement de certaines cellules solaires.

Son boîtier hermétique empêche l’humidité et la poussière de détériorer les connexions. Il joue un rôle important dans la sécurité du panneau, limitant les risques de courts-circuits et optimisant la production d’électricité solaire.

Les câbles et connecteurs MC4

Les câbles de sortie transportent le courant électrique du panneau solaire vers l’onduleur ou le régulateur de charge. Ils sont conçus pour résister aux conditions extérieures comme les UV et l’humidité. Les connecteurs MC4 permettent un branchement sécurisé entre les modules photovoltaïques et l’installation solaire.

Ces connecteurs standardisés assurent une connexion fiable, limitant les pertes électriques et réduisant le risque de court-circuit. Fabriqués en plastique robuste et en cuivre conducteur, ils garantissent une transmission efficace du courant continu. Leur étanchéité renforce la durabilité des panneaux solaires.

Les matériaux et leur impact environnemental

Les panneaux solaires photovoltaïques sont fabriqués à partir de plusieurs matériaux, dont le silicium cristallin, l’aluminium, le verre et des polymères. Ces matériaux assurent la durabilité et le rendement des cellules photovoltaïques, mais leur extraction et leur transformation ont un impact environnemental.

Le silicium, principal composant des cellules photovoltaïques, est extrait du quartz et nécessite un processus de purification énergivore. L’aluminium, utilisé pour le cadre, demande une forte consommation d’énergie lors de sa production, mais il est recyclable à l’infini. Le verre, qui protège les modules photovoltaïques, représente environ 70 % du poids d’un panneau et peut être entièrement recyclé.

Le recyclage des panneaux photovoltaïques permet de récupérer jusqu’à 95 % des matériaux. En France, l’organisme Soren gère la collecte et le traitement des panneaux en fin de vie. L’usine Veolia, spécialisée dans le recyclage des modules solaires photovoltaïques, valorise le verre, l’aluminium et le silicium. Cela permet une réutilisation dans de nouvelles installations photovoltaïques.

Le recyclage et l’optimisation des procédés de fabrication réduisent l’impact environnemental des panneaux solaires. Cela rend l’énergie photovoltaïque plus durable et favorise la transition vers les énergies renouvelables.

Quid sur les aides pour panneaux photovoltaïques

Plusieurs aides financières permettent de réduire le coût d’une installation solaire photovoltaïque. Elles varient selon la puissance des panneaux solaires et le type d’installation choisie.

• Prime à l’autoconsommation EDF OA : cette aide est attribuée aux installations photovoltaïques en autoconsommation avec vente du surplus. Son montant varie selon la puissance installée, jusqu’à 1 478 € pour une puissance de 9 kWc. Elle est versée un an après la mise en service des panneaux solaires.
• Obligation d’achat (EDF OA) : l’électricité produite peut être revendue à EDF à un tarif fixé par l’État. Cela garantit un revenu supplémentaire aux propriétaires d’installations photovoltaïques.
• TVA réduite : les installations de moins de 3 kWc bénéficient d’une TVA à 10 % au lieu de 20 %, réduisant ainsi le coût d’achat des panneaux solaires.
• Aides locales et régionales : certaines collectivités proposent des subventions pour encourager l’installation de panneaux photovoltaïques, sous conditions de ressources ou d’éligibilité.