Les panneaux photovoltaïques sont capables, s'ils sont déployés sur des surfaces suffisantes, de produire une quantité importante d'électricité, capable de couvrir beaucoup des besoins énergétiques du bord.

Quelles sont les trois types de technologies de panneaux photovoltaïques, leurs avantages et inconvénients ?

Les panneaux photovoltaïques sont composés de cellules photovoltaïques dont le montage permet l'obtention des tensions et puissances souhaitées.

Ces cellules utilisent l'effet photovoltaïque, un effet découvert la Leon Becquerel, en 1839, dans lequel certains matériaux semi-conducteurs sont capables de transformer directement la lumière en électricité.
De manière générale, les cellules photovoltaïques peuvent être vues comme un empilement de matériaux :

• La couche active, l'absorbeur, constituée d'un premier matériau accepteur d'électrons et d'un second matériau donneur d'électrons, formant une jonction donneur-accepteur ;
• Les contacts métalliques avant et arrière constituant les électrodes positive (+) et négative (–) chargées de collecter le courant généré ;
• Des couches supplémentaires : anti-reflet ou encore permettant d'améliorer les performances de la cellule : meilleure absorption de la lumière, meilleure diffusion des porteurs de charges dans le matériau...
   

L'effet photovoltaïque concerne la lumière et non pas la chaleur du soleil. La chaleur est exploitée avec des panneaux solaires thermiques, tels que ceux utilisés dans les chauffe-eaux dits solaires dans lesquels un fluide caloporteur est réchauffé au contact d'un capteur de chaleur installé sur un toit.

La puissance d'un panneau photovoltaïque est décrite en Wc. Watt Crête ou Wp Watt Peak en anglais.

Bien comprendre le Wc

Quand on lit qu'un ensemble de panneaux produit 3000 Wc, c'est une puissance très différente de celle d'un générateur (groupe électrogène) de même puissance.

En effet, le générateur à énergie fossile, ou la pile à combustible de 3000 W, produit, jusqu'à l'épuisement de son carburant, une puissance de 3000 W.

Le capteur photovoltaique de 3000 Wc, produira, lui, au maximum, et lorsque toutes les conditions optimales sont réuniées, 3000 W. Nuance importante.

Ainsi, l'angle d'incidence du soleil, la présence d'ombre ou de salissûres sur le capteur lui même, ou encore un temps couvert ou brumeux impactent très fortement la prioduction de l'ensemble photovoltaique dont la production peut tomber à... 0 W par jour de brume épaisse.

Meilleures sont l'ensoleillement et l'incidence avec l'astre céleste, meilleure sera la production.

Ainsi, sous le soleil antillais, une installation peut, dans des conditions idéales, aisément produire 70 à 80 % de sa puissance en Wc pendant 6 h (10 h - 16 h) et 50 % pendant 4 h supplémentaires (8h - 10 h et 16 - 18 h).

En reprenant ces exemple de 3000 Wc, sur une journée, on aura produit 20 kW, soit de 10 kW de moins qu'avec un générateur diesel de 3000 W tournant 10 heures.

En revanche, prenons le même exemple en Grande-Bretagne en hiver, par une journée de brouillard lorsque le soleil ne perce pas la couverture nuageuse, et la production quotidienne du capteur de 3000 W peut descendre à zéro kW par jour...

Le rendement

Le rendement d'un panneau photovoltaïque désigne la quantité d'énergie lumineuse qu'il est capable de transformer en énergie électrique.

Le rendement est évalué lors de tests normalisés, sous une incidence solaire de donnée et un rayonnement de 1000 W.

Plus le rendement est élevé, plus la production le sera.

Les tests d'évaluation du rendement sont effectués selon un scénario (incidence solaire, intensité, composition de l'atmosphère) qui avantage certains capteurs et en désavantagent d'autres. Ainsi, cette valeur ne constitue pas un "étalon absolu" de l'efficacité des capteurs, mais une des indications de ses performances.

On dénombre trois grandes familles de capteurs photovoltaïques sur le marché.

Les capteurs au silicium.

Ces capteurs sont déployés dans des panneaux rigides, à cadre, ce sont ceux installés sur les toits ou sur les biminis des voiliers. Les cellules qui les composent sont grandes et elles composent des panneaux plans, rigides et lourds.

Côté rendement, ces panneaux présentent le rendement le plus élevé, de 20 à  25 % de l'énergie lumineuse captée. Ils sont lourds et leur montage implique de les installer sur des cadres ou des supports. Il est difficile d'en monter ailleurs, sur un voilier, que sur un bimini fixe ou des bossoirs d'annexe.

Les capteurs CGIS (Cuivre Indium Gallium Selenium) sont ceux utilisés dans les panneaux dits souples.

Les cellules qui les composent sont petites, ce qui apporte aux panneaux qui les utilisent, une certaine souplesse. On devrait dire légèrement souples, car ils ne supportent ni pliage, ni fort cintrage, ni roulage. Ces panneaux peuvent se fixer ou se coller sur un roof, un bordé, habiller un lazybag, un bimini.

Ils sont légers, opaques et présentent un bon rendement, qui peut atteindre les 17 % comme pour ceux de Sunbeam ou Solarcloth.

Ces deux premières technologies permettent de construire des capteurs offrant de bons rendements, mais dont la construction nécessite l'extraction et l'emploi de minerai rares, les fameuses terres rares dont les Chinois sont friands à travers le monde. La fabrication industrielle de ces panneaux souffre d'un impact environnemental non-négligeable important à prendre en considération.

Les capteurs OPV (Organic Photo Voltaic).

Troisième génération de capteurs, ce sont des films polymères dont la couche active de matériau ne dépasse pas les quelques microns d'épaisseur. Les films ainsi constitués sont très minces, peuvent être translucides, suivant le support choisi, et restent très souples. Très légers, leur présentation sous forme de films permet leur intégration dans des membranes comme celles qui composent des voiles modernes... Revers de la médaille, les OPV présentent un rendement nettement plus faible, de l'ordre de 3 à 4 %.

Les cellules OPV, à la différence des silicium ou des CGIS ne consomment que très peu de ressources et d'énergie pour leur fabrication, elles tirent de cet avantage le mot "organic" de leur dénomination.

Ce type de cellules est exploité, à titre expérimental, par plusieurs industriels et nous reviendrons sur les applications "voile" dans un prochain article.