Le monde du photovoltaïque est un concentré d’anagrammes qui paraissent trop souvent incompréhensibles. On déchiffre pour vous les différentes technologies de panneaux solaires, en vous indiquant celles dotées du meilleur rendement.
Quelques années après d’autres pays européens comme l’Espagne ou l’Allemagne, la France a enfin pris le virage du photovoltaïque. Rien que sur l’année 2024, on a compté presque 5 GWc de puissance de panneaux solaires raccordés. C’est l’équivalent de 12,5 millions de panneaux standards. Mais si le photovoltaïque est de plus en plus présent dans notre quotidien, ce vaste domaine n’en reste pas moins difficile à appréhender, en particulier au moment de choisir des panneaux pour produire de l’électricité à domicile.
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Dans ce dossier, nous allons donc revenir sur les principales technologies qui inondent le marché, avec leurs points forts et leurs points faibles.
Le silicium cristallin, matériau de base de (presque) toutes les cellules photovoltaïques
Pour comprendre l’univers du photovoltaïque, faisons d’abord un petit peu d’histoire. L’effet photovoltaïque, c’est-à-dire la possibilité de transformer l’énergie de la lumière en électricité, a été découvert dès 1839 par un certain Antoine Becquerel et son fils Edmond Becquerel. Il faudra, néanmoins, attendre 1883 avant que la première cellule solaire en matériaux semi-conducteurs ne soit mise au point par Charles Fritts. À l’époque, cette cellule composée d’or et de sélénium atteignit un rendement de 1 %. Ce qui signifie que seulement 1 % de l’énergie solaire était transformée en énergie électrique.
Très rapidement, le sélénium est remplacé par du silicium, un matériau semi-conducteur bon marché et très abondant sur Terre. L’utilisation d’un matériau semi-conducteur pour convertir de la lumière en électricité constitue, aujourd’hui encore, la base de toutes les cellules photovoltaïques.
Pourquoi utiliser un semi-conducteur ?
Pour comprendre le fonctionnement de base d’une cellule photovoltaïque, il faut d’abord revenir à son principal élément constituant ; le matériau semi-conducteur. Comme son nom l’indique, un matériau semi-conducteur est un matériau dont les électrons peuvent bouger quand certaines conditions sont réunies. Or, les électrons sont la base du courant électrique. Il se situe donc entre un matériau conducteur comme le cuivre dans lequel les électrons circulent presque librement, et un matériau isolant comme le verre dans lequel les électrons ne peuvent pas circuler.
Avec certains semi-conducteurs comme le silicium, c’est l’impact de la lumière, ou plutôt des photons qui la constitue, qui permet le mouvement des électrons. En pratique, lorsqu’un photon de lumière percute un atome de silicium, il permet la libération d’un électron. Cet électron en mouvement constitue la base du courant électrique.
Généralement, une cellule photovoltaïque est composée de deux couches de semi-conducteur. L’une est chargée positivement tandis que l’autre est chargée négativement. Cela permet, au moment où les photons frappent la cellule, de guider les électrons dans une seule direction, un peu à la manière du courant qui circule entre les deux pôles d’une batterie.
Les différentes technologies de cellules photovoltaïques consistent à maîtriser ce phénomène en utilisant différents types de semi-conducteurs, et différents types de jonctions.
Le silicium monocristallin, référence du photovoltaïque
La technologie la plus répandue, mais également l’une des plus efficaces, est appelée silicium monocristallin. Ce type de panneau affiche habituellement un rendement supérieur à 20 %, mais dépend de sa structure et de son mode de fabrication. On distingue notamment les cellules p-type et n-type :
- p-type. Type de cellule le plus courant. Elle repose sur une plaque de silicium chargée positivement, à laquelle on associe une couche de silicium chargé négativement pour générer un courant électrique. Relativement peu chère à fabriquer, ce type de cellule a l’inconvénient de se dégrader progressivement à cause de la lumière.
- n-type. Ici, c’est l’inverse. La couche de base est chargée négativement, puis associée à une couche de silicium chargée positivement. Plus chère, ce type de cellule affiche néanmoins un meilleur rendement et affiche une meilleure durée de vie, car elle n’est pas sensible à la lumière.
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Outre les matériaux utilisés, d’autres technologies sont utilisées pour améliorer le rendement de ce type panneau. C’est le cas de la technologie IBC (Interdigitated back contact). Comme son nom l’indique, cette technique consiste à faire passer l’ensemble des grilles de contact à l’arrière de la cellule. Ces grilles métalliques, appelées « busbar » ont un rôle fondamental : elles récupèrent les électrons en mouvement, c’est-à-dire l’électricité générée par la cellule. Placer cette structure à l’arrière permet de laisser libre toute la surface de la cellule et ainsi permettre une captation de lumière sur toute la surface de la cellule. Ce type de structure, dont le rendement peut atteindre 23 % à 24 %, se distingue visuellement par un rendu très uniforme : tout noir.
Parmi les panneaux au silicium monocristallin, un certain type de panneau gagne en popularité grâce à un rendement encore plus élevé : les panneaux bifaciaux. Comme leur nom l’indique, ces panneaux sont capables de produire de l’électricité depuis ses deux faces. Cette solution permet de tirer partie de l’albédo, la capacité de certaines surfaces à refléter la lumière. Le plus souvent, la technologie utilisée est dénommée PERC (Passivated Emitter and Rear Cell).
Cette technologie pourrait, à terme, être remplacée par la technologie TOPCon (Tunnel Oxydated Passivated Contact), qui permet d’obtenir des rendements supérieurs à 25 %, et se révèle plus efficace lorsque l’ensoleillement est faible.
À l’heure actuelle, les meilleurs panneaux solaires sont dotés de la technologie HJT, dite à hétérojonction. Contrairement aux cellules traditionnelles, la technologie HJT repose sur l’utilisation de deux matériaux différents, à savoir du silicium cristallin de type N (chargé négativement) et du silicium amorphe. Il affiche une efficacité remarquable, avec un rendement pouvant atteindre 25 %, et une excellente durabilité.
Le silicium polycristallin : moins cher, mais moins performant
Plus abordables, mais également moins efficaces, les cellules en silicium polycristallin se distinguent par l’aspect moins régulier et plus bleuté de leurs cellules. Cette technologie de cellules ne dépasse pas les 18 % de rendement.
Des technologies de niche pour des usages spécifiques
Outre les technologies de silicium monocristallin et polycristallin, il existe de nombreux autres types de cellules photovoltaïques. On peut citer le silicium amorphe qui a l’avantage de fonctionner même avec un éclairement faible ou diffus, d’être peu cher et souple. En revanche, son rendement est très faible en plein soleil : environ 6 %. Pour cette raison, il est principalement utilisé pour les petits appareils comme les calculatrices solaires.
Les cellules dites “multi-jonction”, reposent sur le même principe que la technologie HJT. Mais celles-ci consistent à superposer différents types de semi-conducteurs pour exploiter au mieux le spectre solaire. Le record de ce type de cellule a été atteint par le National Renewable Energy Laboratory, avec 47,1 % de rendement en laboratoire. Ce type de cellule, particulièrement onéreux, se destine presque exclusivement à des applications spatiales.
Enfin, certains panneaux photovoltaïques sont fabriqués à partir de tellurure de cadmium, permettant une réduction de l’empreinte carbone et des coûts de fabrication, tout en conservant un rendement élevé. Néanmoins, ce type de panneau a un défaut majeur : le semi-conducteur utilisé, dérivé du cadmium, est toxique. Leur utilisation est donc controversée, et inaccessible aux particuliers.
Intégrer le photovoltaïque à l’environnement
Les avancées technologiques en matière de photovoltaïque ne s’arrêtent pas à la conception des cellules. Un important travail de recherche consiste à permettre l’intégration de ces cellules dans notre environnement.
À l’échelle d’une habitation, les panneaux solaires sont traditionnellement installés en surimpression, sur la toiture d’une maison. En d’autres termes, ils sont simplement ajoutés, sans faire partie de la structure du bâti. Pour un aspect visuel plus discret, des entreprises travaillent à l’intégration directe de cellules photovoltaïques dans des éléments de construction.
C’est ce que Tesla a fait avec ses tuiles solaires. Celles-ci, d’une dimension de 114 cm par 38 cm, affichent une puissance de 72 Wc (watt-crête), ce qui représente une efficacité énergétique très intéressante.
En parallèle, le développement des panneaux bifaciaux a ouvert des portes en matière de déploiement de panneaux photovoltaïques. En effet, cette technologie permet d’envisager une implantation verticale. À grande échelle, des panneaux sont installés de cette manière à haute altitude pour profiter de la lumière qui se réfléchit sur la neige. À l’échelle d’un logement, ce type de panneau peut désormais être utilisé en guise de clôture. C’est notamment ce que propose l’entreprise bretonne LTE.
Pour finir, toujours à l’échelle d’un logement, les panneaux solaires hybrides sont promis à un grand avenir. Ces derniers consistent à recouvrir des panneaux solaires thermiques, qui récupèrent l’énergie du soleil sous forme de chaleur, avec des cellules photovoltaïques. Pour un logement, cela permet de produire, par exemple, de l’électricité ainsi que de l’eau chaude sanitaire grâce au même panneau.
Quel est l’avenir du photovoltaïque ?
Un peu partout à travers le monde, les chercheurs ne cessent de trouver des nouveaux moyens de convertir le plus efficacement possible l’énergie solaire en électricité. Ainsi, les rendements des cellules photovoltaïques n’ont de cesse d’être améliorés.
Pas encore disponibles à grande échelle, plusieurs technologies commencent à émerger et dévoilent peu à peu leur potentiel. Commençons par les cellules photovoltaïques tandem. Ce principe consiste à empiler deux cellules simples, dotées de matériaux différents. Chaque matériau réagissant à des plages de longueur d’ondes (autrement dit des couleurs) différentes, combiner ces matériaux permettrait d’atteindre un rendement global plus élevé.
Le pérovskite, futur remplaçant du silicium ?
Depuis maintenant plus de 10 ans, un autre matériau est de plus en plus étudié : le perovskite. Très prometteur, il permettrait d’atteindre des rendements intéressants pour un coût de fabrication plus faible que le silicium. Récemment, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique) a annoncé avoir atteint un rendement de 31 % grâce à une cellule « tandem » composée de silicium et de perovskite. Pour une commercialisation en masse, les chercheurs ont encore des défis à relever, car pour le moment, ce matériau est très sensible à l’humidité, à l’oxygène et à la chaleur.
Les cellules organiques, pour élargir les usages
Pour aller encore plus loin dans la réduction des coûts, des chercheurs travaillent également à utiliser des polymères en tant que semi-conducteur, soit des matériaux issus de l’industrie pétrochimique. Cela permettrait de réduire les coûts de fabrication et d’obtenir des cellules extrêmement souples, utilisables sous forme de textile par exemple. En revanche, les rendements sont actuellement très faibles.
Avec les quantum dots, l’avenir appartient à la physique quantique
L’avenir du photovoltaïque pourrait appartenir aux boîtes quantiques, aussi appelées quantum dots. Il s’agit de structures de seulement quelques nanomètres, soit quelques milliardièmes de mètres, qui ont des propriétés quantiques uniques. Cela permettrait notamment de permettre la libération de plusieurs électrons au contact d’un photon (au lieu d’un seul électron avec le silicium). Cette technologie, encore expérimentale, promet des rendements très élevés, en absorbant mieux la lumière, et en utilisant mieux l’énergie du photo. Néanmoins, l’horizon de commercialisation est encore très lointain.
