Les panneaux photovoltaïques

Nous allons parler panneaux photovoltaïques. Je vais commencer par un article sur les technologies pour placer le contexte avant de parler recyclage prochainement. J’oriente cet article sur les aspects matériaux uniquement.

Les panneaux solaires photovoltaïques fonctionnent selon un principe découvert par Edmond Becquerel en 1839 : l’effet photovoltaïque. Je vais faire schématique sur le fonctionnement.

Certains matériaux semi-conducteurs peuvent générer de l’électricité lorsqu’ils reçoivent la lumière du soleil. C’est le cas du silicium qui est le matériau le plus utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Pour simplifier sur le principe général : lorsque le semi-conducteur reçoit un photon, l’énergie transmise par ce dernier permet aux électrons de se mettre en mouvement et de générer un courant collecté par une grille métallique. Il y a donc transformation de l’énergie solaire en électricité. Petit schéma de l’ADEME:

Les panneaux solaires sont constitués principalement:

  • De cellules photovoltaïques
  • D’un onduleur (transforme le courant continu en courant alternatif)
  • D’un support avec structure aluminium
  • Parfois d’ancrages métalliques (lorsque nécessaire)
  • D’une connexion électrique.

Ce qui change d’une techno à l’autre, ce sont principalement les cellules. Ce sont des multi-matériaux comme vous pouvez le voir sur le schéma précédent. Le semi-conducteur, qui permet de générer de l’électricité peut être de 3 types principalement :

1/ Silicium cristallin

Il constitue une techno de première génération et environ 85% du marché mondial selon l’ADEME. Ces cellules sont constituées de fines plaques de silicium cristallisé. En fonction de la méthode utilisée on peut obtenir 2 types de silicium cristallin

  • un silicium monocristallin, qui est de bonne qualité mais plus cher. C’est la techno qui présente le rendement de conversion le plus intéressant, autour de 17% mais qui présente un rendement médiocre en lumière faible ou diffuse.
  • un silicium polycristallin qui a un rendement plus faible mais qui est moins cher et qui demandent moins d’énergie pour sa fabrication. Il est également moins performant en lumière faible ou diffuse.

Les cellules sont encapsulées dans du verre pour les protéger. Dans l’image ci-dessous, la différence entre mono- (gauche) et polycristallin (droite), ça se voit bien sur les panneaux.

2/ Couches minces (2e génération)

Elles sont constituées de dépôts de couches de faibles épaisseurs de matériaux sur un support (verre, acier, plastique). Il en existe plusieurs types également. l’objectif principal de cette 2e génération est une réduction des coûts et des impacts environnementaux (CO2)

  • dépôt de silicium amorphe (donc non cristallin) avec un rendement presque 2 fois inférieur à celui du silicium cristallin et qui décroit avec sa durée de service. De par sa structure, il fonctionne mieux en lumière diffuse que les cellules en silicium cristallin. Les atomes ne sont pas organisés contrairement aux structures cristallines, ce qui leur permet de mieux capter la lumière. A contrario, cette désorganisation ne permet pas aux charges générées de se déplacer facilement dans la matière. D’où leur faible rendement.
  • dépôt d’autres éléments chimiques rares comme l’indium, le sélénium, le gallium ou d’autres pouvant être toxiques comme le tellure de cadmium. Cette techno serait beaucoup moins cher que les cellules au silicium cristallin mais avec un rendement de conversion moins intéressant jusque 2 fois moins efficace. L’objectif de cette techno est de réduire les coûts, le rendement n’est pas forcément ce qui compte. Mais l’utilisation d’éléments rares et parfois toxiques les rendent moins attractifs que la 3e génération qui semble plus prometteuse.

3/ Autres technologies en développement

Ces nouvelles technologies se développent pour réduire à la fois l’impact environnemental et la toxicité des matériaux utilisés pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Parmi ces innovations et ce que l’on appelle les cellules de 3e génération, on retrouve les cellules photovoltaïques organiques, constituées de semi-conducteurs organiques, polymères ou non. Elles permettent une application rapide et peu coûteuse, ainsi qu’une flexibilité des panneaux.

Il est considéré qu’elles présentent aujourd’hui une durée de service et un rendement plus faible que les cellules inorganiques. Ce qui n’est pas tellement étonnant. Les matériaux organiques sont sensibles aux UV (plus ou moins en fonction de leur structure chimique). Le vieillissement sous UV réduit donc avec le temps les performances des cellules.

J’en vois certains se demander comment les cellules organiques peuvent être des semi-conducteurs, sachant qu’il faut des électrons libres. En fait, l’orbitale moléculaire la plus occupée et celle qui est vacante (la plus basse) peuvent être assimilés respectivement à la bande de valence et la bande de conduction. Et là on comprend mieux comment ça peut fonctionner. Mais là s’arrête l’analogie avec l’inorganique.

Ensuite, le jeu des interactions intermoléculaires de type Van Der Waals permet de maintenir une flexibilité tout en stabilisant la structure moléculaire, sans création de défauts.

Vous aurez compris qu’il est assez difficile aujourd’hui d’obtenir une solution qui soit à la fois peu coûteuse, non toxique, avec un faible impact environnemental et durable. Un compromis est à trouver et je pense que ça n’est pas chose facile. Les projets de développement de nouvelles cellules sont nombreux, espérons qu’ils arrivent à une solution intermédiaire, le meilleur compromis possible.

Je n’entre pas plus dans le détail des panneaux solaires, mon objectif ici était de vous présenter les matériaux qui les constituent pour mon prochain thread sur le recyclage. Vous aurez compris que la partie la plus complexe à recycler est la cellule qui est un multi-matériaux.

Petit lien vers le Thread Twitter :

https://twitter.com/Kako_line/status/1203793381270413313?s=20

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