Les technologies photovoltaïques (PV) reposent sur des cellules qui transforment le rayonnement solaire en courant électrique continu. Ces cellules sont couplées entre elles pour former un module, lui-même relié à différents composants électriques (onduleur, boîtier de raccordement, etc.). L’ensemble constitue un système photovoltaïque. La durée de vie d’un module est de l’ordre de 25 ans.
Il existe aujourd’hui différentes technologies de cellules à des stades différents de maturité technologique :
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Silicium cristallin (photovoltaïque de 1ère génération) : les cellules sont constituées de fines plaques de silicium, élément que l’on extrait du sable ou du quartz. Selon la méthode de cristallisation utilisée on obtient du silicium monocristallin (de meilleure qualité mais plus cher à produire) ou du silicium multi-cristallin (moins cher à produire mais offrant des rendements moins élevés). La durée de vie des modules photovoltaïques fabriqués à partir de ces cellules est estimée entre 25 et 30 ans.
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Couches minces (photovoltaïque de 2e génération) : ces cellules sont obtenues en déposant des couches de matériaux semi-conducteurs et photosensibles sur un support en verre, en plastique, en acier, etc. Différents matériaux peuvent être utilisés, le plus répandu étant le silicium amorphe, mais d’autres matériaux intègrent des éléments chimiques rares (indium, sélénium, gallium) et parfois sujets à controverse (comme le tellure de cadmium, composé toxique). Cette technologie permet de baisser les coûts de production mais les cellules ont un rendement moindre que dans le cas du silicium cristallin. Elle a connu un développement important ces dernières années.
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Cellules organiques (photovoltaïque de 3e génération) : ces modules sont constitués de molécules organiques. Les capteurs solaires se présentent sous forme de films de type photographique, souples, légers et faciles à installer. Il y a actuellement trois types de cellules photovoltaïques organiques : les moléculaires, celles en polymères et les organiques hybrides. L’intérêt potentiel de ces technologies est d’offrir une énergie solaire à un prix significativement inférieur aux technologies de première et de deuxième génération mais elles sont encore au stade de la recherche et développement. Ces cellules sont toutefois déjà utilisées dans certaines applications spécifiques à faible consommation et forte valeur ajoutée comme les calculatrices ou le rechargement des appareils nomades.
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Cellules à concentration (technologie dite CPV) : cette technologie utilise des lentilles optiques qui concentrent la lumière sur de petites cellules photovoltaïques à haute performance. Leur rendement est plus élevé que pour la filière silicium mais il est toutefois nécessaire d’être toujours positionné face au soleil, ce qui est rendu possible avec l’installation d’un « tracker » (support mobile pivotant). Cette technologie n’est actuellement intéressante économiquement que dans les zones où l’ensoleillement direct est très important.
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Cellules perovskites hybrides : encore au stade de développement en laboratoire, il s’agit d’une filière très prometteuse, dont les progrès en termes de rendement ont été spectaculaires ces dernières années. Cette filière est apparentée à la technologie des couches minces et repose sur le methylammonium iodure de plomb. Des rendements de l’ordre de 22% ont été atteints en laboratoire. Des travaux de recherche sont en cours afin d’atteindre une meilleure stabilité de ces cellules et de les rendre plus résistantes à l’humidité.
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Filières |
Rendement |
Maturité |
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Silicium cristallin Sous-familles : Monocristallin Multi-cristallin |
16 à 21% 14 à 15% |
Environ 90% du marché mondial dont 60% pour le multi-cristallin |
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Couches-minces |
5 à 15% |
Environ 10% du marché mondial |
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Cellules à concentration |
20 à 30% |
Stade de démonstrateur en fonction du pouvoir concentrateur |
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Cellules organiques |
5 à 10% (cellule) |
Stade expérimental |
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Cellules pérovskites hybrides |
22% (cellule) |
Stade expérimental |
Source DGEC, ADEME, DGRI
Le solaire thermique
Les technologies associées à cette filière visent à convertir le rayonnement solaire en énergie thermique.
Ces équipements permettent d’utiliser directement l’énergie thermique du soleil (à relativement basse température). La chaleur produite peut être utilisée pour le chauffage domestique ou la production d’eau chaude sanitaire.
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Les 3 types d’équipements les plus courants sont:
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les chauffe-eaux solaires individuels (CESI), qui permettent la production d’eau chaude à usage sanitaire pour les particuliers, pour une productivité de l’ordre de 400 à 450 kWh/an/m2 selon la zone climatique ;
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les systèmes solaires combinés (SSC), qui assurent à la fois la production d’eau chaude sanitaire et le chauffage à l’usage des particuliers. La surface de capteurs correspond à 10%
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Filières
Rendement
Maturité
Silicium cristallin
Sous-familles :
Monocristallin
Multi-cristallin
16 à 21%
14 à 15%
Environ 90% du marché mondial dont
60% pour le multi-cristallin
Couches-minces
5 à 15%
Environ 10% du marché mondial
Cellules à concentration
20 à 30%
Stade de démonstrateur en fonction du pouvoir concentrateur
Cellules organiques
5 à 10% (cellule)
Stade expérimental
Cellules pérovskites hybrides
22% (cellule)
Stade expérimental
Source : DGEC, ADEME, DGRI
Le solaire thermique
Les technologies associées à cette filière visent à convertir le rayonnement solaire en énergie thermique.
Ces équipements permettent d’utiliser directement l’énergie thermique du soleil (à relativement basse température). La chaleur produite peut être utilisée pour le chauffage domestique ou la production d’eau chaude sanitaire.
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Les 3 types d’équipements les plus courants sont:
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les chauffe-eaux solaires individuels (CESI), qui permettent la production d’eau chaude à usage sanitaire pour les particuliers, pour une productivité de l’ordre de 400 à 450 kWh/an/m2 selon la zone climatique ;
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les systèmes solaires combinés (SSC), qui assurent à la fois la production d’eau chaude sanitaire et le chauffage à l’usage des particuliers. La surface de capteurs correspond à 10% environ de la surface à chauffer. La production conventionnelle retenue pour un système optimisé est de 450 kWh/an/m² ;
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le marché de l’eau chaude solaire collective. L’équipement est en général dimensionné pour fournir 40 à 60% des besoins ; pour chaque installation, l’équipement est conçu et dimensionné préalablement par un bureau d’études.
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On distingue plusieurs types de technologies :
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Centrales solaires cylindro-paraboliques : des auges paraboliques d’un rayon de courbure de 2 à 2,5 m et d’environ 20 m de longueur concentrent les rayons du soleil sur un tube à fluide caloporteur.
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Les réflecteurs linéaires de Fresnel qui peuvent être considérés comme une technologie dérivée des centrales cylindro-paraboliques et qui mettent en œuvre des miroirs quasi-plans disposés à plat et près du sol et concentrant les rayons sur des tubes récepteurs fixes. Ces miroirs peuvent pivoter de façon à suivre la trajectoire du soleil tout au long de la journée.
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Un équipement solaire n’assure jamais 100% des besoins d’eau chaude ou de chauffage et nécessite un complément.
Les systèmes photovoltaïque/thermique (PV/T)
Une nouvelle filière hybride est en train d’émerger sur les bâtiments, combinant à la fois solaire photovoltaïque et solaire thermique. Cette filière repose sur des panneaux solaires hybrides, qui produisent simultanément de l’électricité et de la chaleur utile.
Un panneau solaire hybride utilise la chaleur dégagée par les cellules photovoltaïques pour chauffer un fluide caloporteur (liquide ou air), ce qui améliore le rendement des cellules PV tout en valorisant de la chaleur solaire utile pour l’eau chaude sanitaire ou le chauffage.
Dans un panneau solaire hybride vecteur eau (PV/T à eau), le fluide caloporteur est à base d’eau. Ce procédé est généralement utilisé pour contribuer à la production d’eau chaude sanitaire (ECS).
Dans un panneau solaire hybride vecteur air (PV/T à air), le fluide caloporteur est de l’air. Ce procédé est généralement utilisé pour apporter une contribution au chauffage de locaux.
Le solaire thermodynamique
Comme pour le solaire thermique, les technologies associées à cette filière visent à convertir le rayonnement solaire en énergie thermique.
Le principe de ces technologies est de concentrer suffisamment le rayonnement solaire de façon à pouvoir chauffer un fluide caloporteur (de l’huile ou des sels fondus) à haute température (250°C à 2000°C).
La chaleur ainsi emmagasinée par le fluide peut être utilisée directement pour des usages industriels ou utilisée pour produire de l’électricité via une turbine à vapeur. Par rapport au photovoltaïque où la production s’arrête dès qu’il n’y a plus de soleil, la production au-delà de la période d’ensoleillement peut continuer dans les cas où il existe un réservoir de stockage du fluide chauffé.
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On distingue plusieurs types de technologies :
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Centrales solaires cylindro-paraboliques : des auges paraboliques d’un rayon de courbure de 2 à 2,5 m et d’environ 20 m de longueur concentrent les rayons du soleil sur un tube à fluide caloporteur.
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Les réflecteurs linéaires de Fresnel qui peuvent être considérés comme une technologie dérivée des centrales cylindro-paraboliques et qui mettent en œuvre des miroirs quasi-plans disposés à plat et près du sol et concentrant les rayons sur des tubes récepteurs fixes. Ces miroirs peuvent pivoter de façon à suivre la trajectoire du soleil tout au long de la journée.
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Centrales solaires à tour : une multitude de miroirs orientables, appelés héliostats, concentrent l’énergie solaire sur une chaudière unique située sur une tour
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Paraboles solaires Dish-Stirling : cette technologie met en œuvre un miroir parabolique d’une dizaine de mètres de diamètre sur un moteur Stirling à combustion externe dont la source chaude est du sodium, le gaz moteur de l’hélium ou de l’hydrogène.
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Dans les conditions connues à ce jour, ces technologies nécessitent un ensoleillement direct important