Cellules Solaires à Haut Rendement
Avant de présenter le potentiel des cellules solaires à haut rendement, il faut apporter deux éclaircissements. Ainsi, vous comprendrez mieux les enjeux des progrès techniques en cours de déploiement.
La cellule solaire : qu’est-ce que c’est ? Comment fonctionne-t-elle ?
La cellule solaire fait partie du panneau solaire. Son rôle consiste à convertir la lumière en électricité, via le principe de l’effet photovoltaïque.
À titre purement indicatif (car on observe plusieurs variations, en fonction des modèles), on en compte 60 à 96 unités par dispositif. Voire au-delà, bien que ce soit plus rare.
Au moment où les photons (« particules de lumière ») frappent la surface d'une cellule solaire… ils transfèrent leur énergie aux électrons. Les électrons en question se trouvent dans le matériau semi-conducteur de la cellule. On pense notamment au silicium, le plus répandu, mais les ingénieurs se tournent aussi exponentiellement vers le tellurure de cadmium… voire vers des matériaux polymères ou des nanocristaux.
Quoi qu’il en soit, ce transfert d'énergie permet aux électrons de se déplacer librement. Cette mobilité génère un flux d'électricité.
Les cellules photovoltaïques étant toutes composées de couches, elles-mêmes dotées de charges positives et négatives, cela crée un champ électrique. Il dirige le mouvement des électrons libérés.
Voilà un terrain propice à la génération précieuse d’un courant électrique.
Mais alors, qu’en est-il du rendement de ces modules photovoltaïques ?
Qu’est-ce que le rendement d’une cellule solaire ?
Lorsqu’on cherche à définir le rendement d'une cellule solaire, on définit sa capacité à convertir la lumière du soleil en électricité.
Un résultat exprimé en pourcentage : on jauge la proportion d'énergie solaire qui peut être transformée en énergie électrique exploitable par la cellule lorsqu’elle en reçoit.
Plus le nombre est élevé… plus une maison individuelle, notamment, peut profiter d’une génération autonome d’électricité.
Technologies à haut rendement : deux exemples d’innovation
Les cellules solaires à haut rendement laissent envisager une augmentation du « bénéfice » en électricité, pour une captation donnée. Par là-même, logiquement, une réduction des pertes au moment de la transition.
Citons deux vecteurs essentiels de cette évolution.
- Le silicium monocristallin. Le rendement des cellules qui en contiennent s’avère généralement plus élevé, selon une fourchette allant de 18 % à 22 %. En comparaison, le silicium polycristallin, certes moins onéreux, ne dépassent en principe pas les 17%, pour une moyenne basse de 15%.
La différence paraît minime a priori. En réalité, étendue à toute la structure, elle n’a rien de négligeable. On assiste là à une véritable optimisation d’un matériau (le silicium) ayant déjà acquis une excellente réputation. La structure atomique uniforme du silicium monocristallin permet aux électrons de se mouvoir plus librement ; les obstacles sont bien moins fréquents.
- Les cellules à hétérojonction, aussi connues sous l’acronyme HJT, atteignent un niveau de rendement particulièrement élevé. Dans leur cas, on peut espérer un retour de 22 à 25% d’électricité par rapport à l’énergie absorbée. Cette performance découle d’une combinaison entre le silicium et d'autres matériaux.
Parmi eux, on retrouve de l'amorphe et du cristallin, pour créer des jonctions à la frontière de ces deux types de matériaux. Des « ponts » qui servent précisément à réduire les pertes d'électrons. Prenant le relai là où des ruptures pourraient avoir lieu, ils font augmenter l'efficacité liée à la capture de la lumière. En guise de métaphore, on pourrait dire qu’ils « viennent en renfort ».
Si l’on ne peut pas espérer un changement immédiat et généralisé, c’est pour des raisons économiques. Toutefois, au fil du temps, la rationalisation des coûts de conception viendra favoriser l’accessibilité des cellules synonymes d’une meilleure rentabilité.
La technologie des « couches minces », une sorte de placage énergétique
La technologie des couches minces fait partie des nouvelles approches prometteuses dans le segment photovoltaïque. Le changement s’opère dès le procédé de fabrication. Il consiste à déposer une ou plusieurs couches minces de matériaux photovoltaïques (comme le silicium) sur un substrat ; une forme de support.
En joaillerie, on a recours au placage pour profiter de l’esthétique des métaux précieux (principalement celle de l’or et de l’argent) sans que le bijou ne soit trop cher. Seule une fine couche suffit, à condition de respecter un minima précis.
Dans le cas des panneaux solaires photovoltaïques, il n’y a pas d’objectif ornemental. En revanche, parmi les pistes à exploiter, celles qui peuvent rendre les dispositifs de production écologiques plus accessibles, il y a celle d’une rationalisation des coûts.
Ces deux procédés, quoiqu’appartenant à des univers très différents, ont au moins un point commun évident : ils reposent sur l’optimisation. L’essentiel l’emporte sur le superficiel.
Les dépôts appliqués aux substrats varient. Il peut s’agir de « tellurure de cadmium » ou de silicium amorphe. Ils ont chacun leur niveau d’efficacité, de flexibilité, afin de répondre à des besoins variés.
Une alternative plus mobile et plus flexible
Car justement, la principale force de la technologie des couches minces réside dans la flexibilité et la légèreté des panneaux solaires ainsi produits. Ces caractéristiques permettent l'installation de ces structures modernes le long de surfaces inaptes à accueillir des appareils trop lourds ou rigides.
L’esthétique du bâti se trouve préservée par la même occasion. Celles et ceux qui repoussent la transition à cause du rendu visuel, jugeant qu’un module photovoltaïque « gâcherait » la façade de leur logement, peuvent ici compter sur une intégration plus organique.
Pour finir, et cela n’a rien de négligeable, les cellules à couches minces montrent souvent une meilleure efficience que leurs équivalents traditionnels sous des conditions de lumière faible ou diffuse. Elles peuvent, dès lors, se démarquer au sein de régions moins ensoleillées, tout comme pour des applications où l'orientation directe vers le soleil se trouve limitée.
Le stockage de l’énergie solaire : mettre de côté les atouts verts
L’exploitation de l’énergie solaire suscite un engouement croissant, certes, mais reste sujet à de nombreuses questions. L’une des plus courantes consiste à se demander comment les panneaux photovoltaïques peuvent rester fiables… pendant la nuit.
Aussi surprenant que cela puisse paraître, de nombreux scientifiques travaillent à la recherche d’une solution accessible 24h/24. Des résultats ont déjà été obtenus.
L’approche la plus répandue à ce stade, toutefois, consiste à assurer le stockage de l'énergie solaire. Il vient justement pallier les fluctuations dues aux conditions météorologiques et à l’alternance jour/nuit.
On retrouve, à l’origine de cette prouesse technique, des jeux de batteries avancés. Les accumulateurs lithium-ion, réputés pour leur haute densité énergétique et leur longévité, sont aux premières loges de cette précieuse opportunité.
Il est question, si l’on ose cette formulation, de garder l’énergie solaire « pour plus tard ». Cela assure une fourniture d'électricité solaire régulière, même en l'absence de rayonnement direct.
Notons que la chaleur elle-même peut être emmagasinée. Il est alors question de stockage thermique. Les matériaux comme le sel fondu sont en mesure de préserver efficacement la chaleur sur de longues périodes.
Des solutions de stockage qui renforcent la régularité fonctionnelle des panneaux solaires
La généralisation de ces technologies de stockage s’accompagne de nombreux avantages, dont la décisive stabilisation des réseaux électriques.
Les installations solaires se montrent progressivement plus aptes à équilibrer l’offre et la demande. On se dirige ainsi vers une meilleure indépendance énergétique des zones concernées.
De même, véritables terreaux fertiles de l’autoconsommation, ces systèmes permettent d’apprécier une réduction significative des factures d’énergie.
Certains défis restent à relever. Car la bonne volonté écologique se heurte à des contradictions frustrantes. En l’occurrence, cela concerne les batteries elles-mêmes. Mal gérées, non revalorisées après usage, elles se révèlent délétères pour l’environnement. La sensibilisation et la multiplication des moyens de revalorisation (c’est la fameuse promesse de l’économie circulaire) s’imposent.
La connectivité et le suivi solaire intelligent
La plupart des appareils de la vie quotidienne ont leur équivalent connecté, du biberon à la télévision. Le contrôle via les applications s’est inscrit dans les mœurs, permettant de gagner en efficacité, en productivité, tout comme en capacité d’analyse.
Les technologies solaires n’échappent évidemment pas à cette règle.
Nous irons même plus loin : l'IoT, ou « l’Internet des objets », a tout le potentiel pour révolutionner la gestion des installations photovoltaïques.
La dissémination de capteurs et leur association aux solutions « smart » hissent le panneau solaire et ses cellules à un nouveau niveau.
Depuis n’importe où, les usagères et usagers assurent un contrôle. Ils disposent d’une marge de manœuvre. Le suivi solaire intelligent s’inscrit pleinement dans l’équation. On peut apprécier une interactivité nuancée, entre automatisation (le dispositif se tourne dans la direction du soleil sans intervention humaine) et modulation manuelle.
« Manuelle » ne signifie pas, ici, que les personnes se rendent directement là où se trouve l’installation. Les commandes restent possibles à distance ; il s’agit tout simplement de compléter, de parfaire ce que la machine réalise déjà toute seule.
Le « tracking » favorisé par les modules connectés
Aussi, comme on l’a mentionné quelques lignes plus tôt, toute cette activité de captation est enregistrée. Les données ainsi collectées aident à identifier les tendances, les excès, les moments où la sollicitation se révèle importante. Elles contribuent à l’optimisation des performances futures, jusqu’à permettre une maintenance prédictive.
Ainsi, grâce à la « complicité » des algorithmes et des calculs, une réduction significative des coûts d'exploitation se profile. Avec elle, un rendement toujours plus intéressant.
Tout cela laisse optimiste quant à la démocratisation des technologies photovoltaïques. Il faut, cela dit, revenir un instant sur les considérations esthétiques. Nous en avons fait mention à propos des couches fines.
De manière générale, est-il possible de concilier design et exploitation de l’énergie solaire ?
Intégration architecturale des technologies solaires : un effort croissant d’harmonisation
Et si nos constructions n’étaient plus l’hôte d’un « greffon » (le panneau), mais qu’elles devenaient des structures se dotant « naturellement » des technologies photovoltaïques, ainsi que de leurs cousines thermiques ?
On se rapproche tout à fait de ce nouveau paradigme avec le concept d’intégration architecturale. Il s’agit d’incorporer ces structures écologiques dans l'élémentaire structurel et esthétique du bâti, et non de les ajouter a posteriori.
Mettons en évidence deux applications de cette intégration.
- Il y a le verre photovoltaïque transparent, composant les fenêtres, les façades de bâtiments, les atriums… La lumière passe à travers lui, générant en même temps l'électricité.
Cette technologie contribue à intégrer les fonctionnalités photovoltaïques aux surfaces vitrées, sans sacrifier le design du bâtiment. Une conciliation essentielle, notamment si l’on souhaite améliorer l’attractivité des alternatives solaires aux yeux des potentiels propriétaires.
Cette technologie contribue à intégrer les fonctionnalités
photovoltaïques aux surfaces vitrées, sans sacrifier le design du bâtiment. Une conciliation essentielle, notamment si l’on souhaite améliorer l’attractivité des alternatives solaires aux yeux des potentiels propriétaires.
Sur le marché de l’immobilier, le profil visuel compte aussi. Le verre photovoltaïque adresse très bien cette problématique. Il va même jusqu’à renforcer la joliesse de la construction, dans certaines situations.
- Les tuiles solaires tirent, elles aussi, leur épingle du jeu. Habilement posées, elles font corps avec la maison, épousant la toiture (on parle même de toiture solaire, par assimilation) sans produire un effet surchargé ou « bricolé ». Là encore, elles répondent à une recherche d’harmonisation, se démarquant des panneaux classiques, qui détonent souvent avec leur environnement.
De nouveaux matériaux, pour un nouveau rendement
Les innovations dans le domaine du photovoltaïque se mesurent aussi en termes de matériaux employés.
Leurs propriétés se placent sous le signe du rendement et de la durabilité.
- Les pérovskites s’inscrivent dans cette lignée de matériaux prometteurs. Il ne s’agit pas de mobiliser le minéral lui-même, mais de mettre à profit des composés synthétiques d’une structure cristalline similaire.
Leurs atouts s’avèrent considérables. Ils font preuve d’une étonnante adaptabilité, face à différentes conditions météorologiques. Ils rejoignent facilement les modules portables et certaines surfaces inhospitalières.
- Les matériaux organiques, de leur côté, se dotent d’une base carbonée. Ils témoignent d’une vraie souplesse. Au-delà, leur dégradation produit un impact bien moins négatif sur l’environnement. On profite d’un avantage supplémentaire sur le plan écologique.
- Le silicium noir et une déclinaison du silicium courant, transformée lors d’un traitement de pointe. Sa surface rugueuse maximise la capacité d’absorption.
D’autres bases de composition prometteuses se dessinent. L’oxyde de cuivre ou la répartition de points quantiques sur les cellules solaires donnent espoir quant au perfectionnement des technologies photovoltaïques. Il faut simplement accepter une marge d’expérimentation, de mise au point. Elle couvre plusieurs années, voire plusieurs décennies, afin d’obtenir un résultat à la hauteur.
Réduction des impacts environnementaux, durabilité : affirmer son engagement écologique
La mise en place d’un panneau solaire photovoltaïque ou d’un panneau solaire thermique ne s’improvise pas. Elle suppose une réflexion holistique, basée sur des critères variés : dimension matérielle, compatibilité esthétique, rendement projeté…
Nous vous encourageons néanmoins à considérer cette transition, ne serait-ce qu’en complément de vos installations actuelles.
Donner sa chance à l’énergie solaire, c’est franchir un seuil décisif en termes d'éco responsabilité.
Sachant que les fabricants de ces modules affinent eux aussi leur approche, en ce qui concerne les méthodes de production. Lorsqu’ils en ont la possibilité, ils visent une cohérence parfaite, jusqu’à alimenter leur propre usine grâce aux énergies renouvelables.
À cela s'ajoutent les initiatives de recyclage. En Europe, on retrouve le programme PV Cycle, qui structure la collecte et la revalorisation des modules solaires. La « boucle est bouclée », si l’on ose dire : chaque maillon de la chaîne est pensé, traité selon les principes du développement durable.
Encore une fois, on constate la multiplicité des implications liée à l’écoresponsabilité. La protection de l’environnement en appelle à un effort homogène, limitant autant que possible les contradictions.
Les technologies photovoltaïques : perspectives et applications émergentes
Contrairement à ce que les analystes les plus cyniques semblent penser, la technologie photovoltaïque n’a rien d’un fantasme idéologique. Des sommes considérables permettent aux chercheurs de progresser, année après année. L’énergie solaire a le potentiel pour catalyser la transition énergétique dans sa globalité.
Le défi, à propos de ce potentiel… reste de savoir l’exploiter. Toutes les innovations que nous venons de présenter (emploi de matériaux plus efficients, amélioration du rendement, applications connectées…) favorisent et précisent cette exploitation.
Dans les années à venir, les possibilités d’intégration architecturale, tout comme l’abaissement des coûts, devraient jouer un rôle capital.
Ce qui semblait relever de la science-fiction au XXe siècle, ou en tout cas d’une solution très élitiste, entre dans une ère nouvelle.
Bien qu’il reste des inconnues, des obstacles… « miser » sur les technologies solaires en tant que solution fiable paraît bien plus raisonnable désormais. Espace Aubade continue à suivre ce dossier de près.
