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Vous trouverez ici toutes les principales informations à connaître sur les panneaux solaires photovoltaïques aussi appelés modules photovoltaïques. Ainsi vous comprendrez comment ils fonctionnent et quel est leur rôle, ainsi que l'importance des différentes caractéristiques à prendre en compte au moment de faire votre choix.

Sommaire :

  1. Les cellules photovoltaïques
  2. La conception d’un panneau photovoltaïque
  3. La puissance d’un panneau solaire photovoltaïque
  4. Le rendement d’un panneau solaire photovoltaïque
  5. Le système de diodes by-pass d’un panneau solaire photovoltaïque
  6. Les caractéristiques d’un panneau solaire photovoltaïque
  7. Les garanties d’un panneau solaire photovoltaïque
  8. L'impact environnemental d’un panneau solaire photovoltaïque
  9. La maintenance d'un panneau solaire photovoltaïque
  10. Le recyclage d'un panneau solaire photovoltaïque


Le nom exact utilisé par la profession est « module solaire photovoltaïque ». De manière à rendre accessibles au plus grand nombre les informations qui suivent nous utiliserons souvent le terme « panneau solaire photovoltaïque » qui est le terme le plus utilisé, limitant au maximum la confusion avec une « cellule solaire photovoltaïque » dont nous parlerons plus tard.

La finalité d’un panneau solaire photovoltaïque est de transformer l’irradiation solaire en énergie électrique, et plus précisément en courant continu. Nous allons voir comment cela est possible.

Un panneau solaire photovoltaïque est composé de cellules solaires photovoltaïques.



1. Les cellules photovoltaïques

Une cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de matériaux appelés semi-conducteurs qui ont des propriétés qui permettent à la cellule de transformer en courant continu une partie de l’irradiation solaire reçue. On parle d’effet photovoltaïque.

Le vidéo ci-après explique l’effet photovoltaïque (source : CNRS/Sagascience)


La partie de l’énergie reçue qui n’est pas transformée en courant se transforme en chaleur.

Il existe différents types de cellules en fonction du matériau à partir duquel elles sont faites. La majorité des cellules photovoltaïques utilisées aujourd’hui sont fabriquées à partir de silicium cristallin. 

Le silicium utilisé peut-être sous 2 formes : monocristallin ou polycristallin. Cela dépend de la façon dont le silicium, sous forme de minerai, est purifié. 

Polycristallin : le silicium est sous la forme d’une multitude de cristaux, ce qui lui confère une couleur qui est plutôt bleue et non homogène (présence de reflets). 

Cellule solaire photovoltaïque en silicium polycristallin

Monocristallin : le silicium est sous la forme d’un seul cristal, ce qui lui confère une couleur plus noire et homogène.

cellule mono-cristalline

A noter que la technique pour obtenir du silicium monocristallin nécessite la consommation d’une quantité d’énergie plus importante, d’où un bilan carbone moins avantageux que pour le silicium polycristallin.




Différence de performance entre le silicium monocristallin et le silicium polycristallin :



Les cellules en silicium monocristallin permettent d’avoir des rendements énergétiques légèrement plus importants que les cellules en silicium polycristallin à surface équivalente.
Par ailleurs il est courant d’entendre que les cellules en silicium polycristallin ont un rendement qui souffre moins de l’élévation de température (ce phénomène est présenté plus loin) que les cellules en silicium monocristallin, mais cette caractéristique dépendant d’autres paramètres à l’échelle d’un panneau solaire, il suffit de se fier aux caractéristiques techniques d’un panneau pour s’affranchir de cette considération polycristallin/monocristallin. En effet, l’effet de la température sur le rendement est quantifié pour chaque panneau solaire photovoltaïque.

A qualité/performances comparables, c’est le prix et l’esthétique qui guidera ensuite votre choix entre monocristallin et polycristallin



2. La conception d’un panneau photovoltaïque



Un module (ou panneau) photovoltaïque est composé de cellules photovoltaïques reliées en série, et encapsulées de façon étanche entre 2 couches de copolymère. Le copolymère le plus souvent utilisé est l’EVA - ethylene-vinyl acetate, mais le POE (Octane-Ethylène) permet d’atteindre des durées de vie plus importantes.


Le dessus du panneau photovoltaïque est composé de verre pour le protéger des agressions extérieures (essentiellement la grêle). Le dessous est recouvert d’une feuille de plastique dur, nommée « Backsheet » par les professionnels, très souvent composée de polyfluorure de vinyle (Tedlar®).

Composition d'un panneau solaire photovoltaïque

 

C’est la configuration la plus classique.
Mais il existe des panneaux solaires photovoltaïques « bi-verre », ce qui signifie que la feuille de plastique dur du dessous (back-sheet) est remplacée par du verre, comme pour le dessus.
Ils sont notamment utilisés pour laisser passer partiellement la lumière lorsque l’application le nécessite. C’est le cas par exemple pour certaines ombrières, ou hangars dans lequel on veut laisser entrer la lumière du jour.

Panneau solaire photovoltaïque avec transparence

Certains fournisseurs font varier le nombre de cellules photovoltaïques et leur espacement. Ainsi la transparence varie de façon inversement proportionnelle à la puissance car la puissance dépend du nombre de cellules (et de leur puissance, voir plus loin).

Une autre variante permettant aussi de laisser passer en partie la lumière consiste à mettre un back-sheet transparent plutôt qu’opaque. 

La transparence peut-être couplée avec l'utilisation de cellules dites « biface » c’est-à-dire capables d’absorber l’énergie lumineuse par les 2 faces, et non pas seulement par la face supérieure. Cela permet de récupérer une partie de l’énergie lumineuse qui se reflète sur la surface située sous les panneaux : c'est l'effet albedo. Certaines marques annoncent un gain de rendement jusqu’à 30% selon la couleur de la surface (albedo maximal lorsque la surface est blanche).

 Presentation de l'effet albedo pour des panneaux solaires photovoltaïques

Un panneau solaire photovoltaïque étant composé de cellules photovoltaïques qui produisent du courant continu, il produira donc lui aussi un courant continu.

Un panneau (ou module) photovoltaïque est polycristallin ou monocristallin, selon qu’il est composé de cellules photovoltaïques polycristallines ou monocristallines. 





3. La puissance d’un panneau solaire photovoltaïque


La puissance d’un panneau solaire photovoltaïque s’exprime en « Watt crète » avec le symbole Wc, ou « Watt peak » Wp en anglais. C’est la puissance instantanée délivrable par le panneau sous les conditions STC (Standard Test Conditions), soit : 

  • Un ensoleillement instantané de 1000 W/m² (ensoleillement maximal)
  • Une température du panneau de 25°C
  • Un coefficient Air-Masse de 1,5


Un panneau solaire photovoltaïque de 300Wc délivrera donc une puissance instantanée de 300W sous les conditions STC. Si l’ensoleillement est moins important (présence de nuage par exemple), alors la puissance instantanée en sortie de ce panneau sera inférieure à 300W. 


Le graphique ci-dessous illustre le profil type d’une courbe courant-tension d’un panneau solaire photovoltaïque, où :

- Uco est la tension de circuit ouvert, c’est-à-dire celui mesuré aux bornes du panneau lorsqu’il est exposé à un ensoleillement, mais sans production de courant (I=0A)

- Icc est la tension de court-circuit, dont la mesure peut être approchée en branchant un ampèremètre aux bornes lorsqu’il est exposé à la lumière (on s’approche alors du court-circuit avec la résistance très faible de l’ampèremètre).

Courbe typique de puissance d'un panneau solaire photovoltaïque

 

A partir de cette courbe, et en utilisant la formule P = U x I, il est possible de tracer la courbe de puissance afin de trouver le couple courant/tension qui donne la puissance maximale appelée Pmpp, mpp signifiant « Maximum Power Point ».


point de puissance maximum (MPP) d'un panneau solaire photovoltaïque

Cette puissance maximale (Pmpp) est atteinte avec le couple Umpp et Impp, de sorte que Pmpp = Umpp x Impp.

Ce sera l'un des rôles de l’onduleur ou du micro-onduleur d’assurer l’atteinte de cette Pmpp grâce à la fonction MPPT (Maximum Power Point Tracker) : on parle de régulation MPPT.


La puissance de sortie d’un panneau solaire photovoltaïque varie en fonction de l’ensoleillement parce que la courbe courant-tension d’un panneau solaire photovoltaïque change en fonction de l’ensoleillement comme l’illustre le graphique ci-dessous.

Influence de l'ensoleillement sur la courbe de puissance d'un panneau photovoltaïque

 

La puissance en Wc d’un panneau solaire correspond donc à la Pmpp obtenue pour une courbe courant-tension correspondant à un ensoleillement de 1000W/m² (et aux autres conditions des STC).

L’un des rôles de londuleur solaire (La régulation MPPT) est donc d’adapter en permanence la tension et l’intensité de sortie du panneau solaire photovoltaïque pour être au plus près du MPP, et ainsi obtenir du panneau solaire la puissance maximale possible en fonction de l’ensoleillement.


A Noter (1):
La tolérance de rendement 

Les cellules photovoltaïques qui composent un panneau n’ont pas toutes exactement le même rendement car le silicium cristallin dont elles sont issues n’est pas absolument uniforme avant d’être découpé en fines lamelles appelées Wafers. Par conséquent en bout de chaîne d’assemblage les panneaux photovoltaïques n’ont pas exactement le même rendement au 10ème de % près. Les tolérances sont comprises dans la fourchette -5% à 5%. 

Par exemple si vous achetez 10 unités d’un même modèle de modules photovoltaïques annoncés à 300Wc avec une tolérance rendement de 0-5%, la puissance de chacun des panneaux photovoltaïque prise individuellement sera comprise entre 300 et 315Wc. C’est cette puissance (Pmax) qu’il faut prendre en considération dans le dimensionnement de l’onduleur solaire par exemple.


A Noter (2) :
Cas particulier des panneaux bi-faciaux

Pour les panneaux photovoltaïques bi-faciaux (exemple ici) la puissance crête indiquée ne tient pas compte de la puissance qui est générée par la face arrière. Pour ces panneaux il est encore plus important de tenir compte de la puissance maximale (Pmax) pour le dimensionnement de l’onduleur solaire.


4. Le rendement d’un panneau solaire photovoltaïque


Sur les fiches techniques des fabricants de panneaux solaires photovoltaïques on retrouve, en plus de la puissance en Wc, un rendement.

Le lien entre le rendement du panneau solaire et sa puissance en Wc est assez simple.

Le rendement est le rapport entre la puissance en sortie et la puissance en entrée :

equation du rendement d'un panneau solaire photovoltaïque

Dans les conditions STC, la puissance en entrée est de 1000W/m².

Dans ces mêmes conditions, la puissance en sortie est la puissance exprimée en Wc. Mais cette puissance en Wc est obtenue pour une certaine dimension de panneau solaire photovoltaïque. Il faut donc diviser cette puissance par la surface du panneau solaire.

equation module solaire

Prenons un panneau solaire photovoltaïque de 300Wc et de dimensions 1660mm x 990mm, soit 1,6434m², alors le rendement de ce panneau sera de :

 equation rendement panneau photovoltaïque

Notons que les rendements des panneaux solaires photovoltaïques mono-faces conçus à partir de silicium cristallin commercialisés atteignent des rendements compris entre 16% et 20%.





Influence de la température sur les performances d’un panneau solaire photovoltaïque



La température à laquelle est soumise un panneau solaire influence son rendement et donc la puissance qu’il délivre.

En fait c’est surtout sur la tension que la température a une influence : plus la température est importante, plus la tension est basse. L’intensité quant-à-elle n’est que très peu impactée par la température. Le profil de la courbe se décale sur la gauche comme le graphique ci-dessous l’illustre. 

 Influence de la température sur le rendement d'un panneau solaire photovoltaïque



Sachant de P = U x I, on comprend facilement que plus la température du panneau solaire photovoltaïque est élevée, plus la puissance est basse. Le rendement en est donc affecté.

Ce n’est pas anodin car pour fournir le maximum de puissance un panneau solaire photovoltaïque doit être exposé à un ensoleillement maximal, et donc sa température augmente.

Souvenez-vous ce que nous disions plus tôt : la part de la puissance solaire reçue par le capteur et qui n’est pas transformé en électricité se dissipe en chaleur. 

Si un panneau solaire photovoltaïque a un (super) rendement de 20%, cela signifie que les 80% restant (à quelques détails près) vont se transformer en chaleur et faire chauffer le panneau dont la température va augmenter et le rendement baisser.

Ce phénomène est quantifié sur les fiches fournies par les constructeurs de panneaux solaires photovoltaïque par les « coefficients thermiques »

Pour la puissance, il s’exprime par exemple de la manière suivante : Coeff. / Pmax = -0,40% / °C

Pour cet exemple, pour chaque degré de plus que 25°C (STC), la puissance du panneau solaire va perdre 0,40%. A l’inverse pour tout degré sous 25°C, la puissance du panneau solaire va gagner 0,40%.


Pensez-y !:

Si vous choisissez une pose en intégration toiture : l'air circule très peu sous le panneau et la température de ce dernier augmente d'autant plus.

Alors qu'avec une pose en surimposition il y a un espace entre les tuile et les panneaux, qui permet la circulation de l'air pour freiner l'augmentation de la température.




5. Le système de diodes by-pass d’un panneau solaire photovoltaïque


Comme nous l’avons indiqué précédemment, les cellules d’un panneau solaire photovoltaïque sont montées en série.

Par conséquent si l’une des cellules ne fonctionne pas, alors c’est l’ensemble du panneau solaire qui ne fonctionne pas. En effet le courant ne pourra pas circuler entre les différentes cellules car « bloqué » par la cellule défaillante.

Cela peut se produire par exemple si une (ou plusieurs) cellule d’un panneau solaire photovoltaïque est ombragée, ou recouverte par des feuilles mortes par exemple.

Même si le dysfonctionnement de la cellule n’est pas total, mais que la puissance produite par la cellule est amoindrie par un encrassement par exemple (défection d’oiseau), alors toutes les cellules montées en série seront affectées. En effet c’est surtout son intensité Impp qui va être amoindrie et qui va ainsi dicter l’Impp de chacune des autres cellules car l’intensité d’un circuit en série est la même en tous points de ce circuit.


Pour diminuer les conséquences de tels phénomènes (qu’il faudra veiller à éviter, ombrages et maintenance) les fabricants de panneaux solaires photovoltaïques mettent en œuvre des systèmes de diodes by-pass de sorte qu’une partie seulement du panneau soit annihilée par ce phénomène. Ces systèmes offrent un parcours alternatif au courant qui peut ainsi "contourner" la ou les cellule(s) qui dysfonctionne(nt).


Le schéma ci-dessous illustre ce phénomène.

Effet de la diode by-pass d'un panneau photovoltaïque

Ce module photovoltaïque schématisé, constitué de 36 cellules, est équipé de 2 diodes by-pass qui permettent de diviser le panneau en 2 parties de 18 cellules chacunes. Lorsque l’une des cellules (en bleu foncé) est défaillante, alors grâce au système by-pass le courant produit par les 18 cellules de droite peut circuler en shuntant la partie de gauche. Le chemin du courant est symbolisé par le trait rouge.

Et si le dysfonctionnement de la cellule n’est que partiel, alors seules les cellules sur le même sous-ensemble seront impactées car le courant de l’autre sous-ensemble passera par la diode by-pass.

NB : l’autre sous-ensemble sera en réalité légèrement impacté car les 2 sous-ensembles seront considérés comme en parallèle et la faible baisse de la tension du sous-ensemble contenant la cellule concernée affectera la tension de l’autre sous-ensemble (les tensions de 2 circuits en parallèle sont égales).


Le nombre de diodes by-pass dépend du fabriquant et du modèle. C’est une caractéristique qui est indiquée sur la fiche technique du fournisseur, dans la partie « données générales » (ou « General Data ») et la rubrique « Boitier de jonction » (ou « junction box »). La plupart des fabricants utilisent 3 diodes by-pass pour les panneaux composés de 60 cellules.




6. Les caractéristiques d’un panneau solaire photovoltaïque


Voici, en guise de résumé, les principales données de performance électriques qu’on retrouve sur la fiche technique d’un module solaire photovoltaïque.

Rappel, elles sont exprimées aux STC, soit les conditions de tests standardisées (STC) : irradiation solaire de 1000W/m², T° du panneau de 25°C et une masse d’air de 1,5. 

a. Les caractéristiques principales :

Nous avons qualifié ces données techniques de principales car ce sont les premières auxquelles il est nécessaire de s’intéresser au début du travail de dimensionnement. En effet, à partir de la surface disponible et de la puissance nécessaire, ces informations vous serviront à choisir le panneau solaire photovoltaïque le plus approprié à votre projet.


La puissance du panneau photovoltaïque(Wc)

Pmpp est le terme technique que vous retrouverez sur les fiches produit = puissance maximale, exprimée en Wc (soit des Watts aux STC).


Les dimensions du panneau photovoltaïque

Largeur et hauteur vous permettront de calpiner, c’est-à-dire définir le nombre et la position des modules sur votre surface


Le poids du panneau solaire


Le poids vous sera utile pour vérifier si la structure sur laquelle va reposer l’installation (la charpente pour une toiture par exemple) pourra supporter le poids de l’ensemble. Pour une même typologie de panneau, le poids / m² varie peu d’un modèle à un autre. Par contre certaines typologies de panneaux solaires sont plus lourdes que d’autres, notamment les panneaux photovoltaïques bi-verre (exemples ici et ).


Le rendement du panneau photovoltaïque

Le rendement en % vous donne une indication sur la performance intrinsèque des cellules utilisées pour fabriquer le panneau photovoltaïque. Il peut être utile pour apprécier le prix du module : pour une même typologie de panneau solaire (ne pas comparer un panneau avec back-sheet avec un panneau bi-verre !) le panneau proposant le rendement le plus élevé devrait être plus cher. 

Le rendement est en fait la résultante des 2 données précédentes. En effet c’est le rapport entre la puissance et la surface du panneau, divisé par 10, exprimé en %. 


Explications : 

equation du rendement d'un panneau solaire photovoltaïque

La puissance d’entrée est l’irradiation pris aux STC, donc 1000 W/m².

La puissance d’entrée doit donc s’exprimer aussi en W/m², donc 

equation calcul rendement panneau solaire

On obtient donc :

equation module solaire

  

Exemple :

Un panneau de 1.6 m², de 300 Wc de puissance a un rendement de :

R = (300 / 1.6) / 10 = 18.75%

b. Les caractéristiques secondaires

Nous avons qualifié ces données de secondaires car elles interviendront dans un second temps dans votre travail de dimensionnement. Elles vous seront en effet utiles pour le dimensionnement des autres éléments de votre installation, dont le dimensionnement de l’onduleur.


- Vmpp : tension correspondante à Pmpp

- Impp : intensité correspondante à Pmpp

- Voc : tension en circuit ouvert (= tension maximale que peut générer le panneau solaire)

- Icc (Isc en anglais) : intensité en court-circuit (= intensité maximale que peut générer le panneau solaire)

- Coeff./T° : influence d’un écart de température par rapport à la T° STC, soit 25°C, exprimée en %/°C

- Tolérance rendement : elle indique la tolérance admise pour le rendement du module. En fait les cellules n’ont pas toutes exactement le même rendement car le silicium cristallin dont elles sont issues n’est pas absolument uniforme avant d’être découpé en Wafer. Par conséquent en bout de chaîne d’assemblage les panneaux photovoltaïques n’ont pas exactement le même rendement au 10ème de % près. Les tolérances sont comprises dans la fourchette -5% à 5%.

Par exemple si vous achetez 10 unités d’un même modèle de modules photovoltaïques annoncés à 300Wc avec une tolérance rendement de 0-5%, la puissance de chacun des panneaux pris individuellement sera comprise entre 300 et 315Wc la première année.




7. Les garanties d’un panneau solaire photovoltaïque


Chaque fabricant de panneaux solaires photovoltaïques fournit, en plus des garanties légales, 2 garanties contractuelles :

- Une garantie produit

Elle concerne les constituants non producteurs d’électricité comme le verre, le cadre, la boite de jonction, … et garantie contre la détérioration de ces matériaux

- Une garantie sur la puissance, le rendement

Elle garantit l’évolution du rendement des cellules photovoltaïques constituant le panneau solaire au fil des années. Par exemple une « garantie de 80% de puissance à 25 ans » pour un panneau de 300Wc signifie que le fournisseur garantit que la puissance du panneau ne sera pas inférieure à 300Wc x 80% = 260Wc après 25ans


Attention à ne pas confondre garantie et durée de vie. En effet la durée de vie est généralement bien plus importante que la garantie produit. Cela vaut aussi pour les autres constituants comme les onduleurs




8. L'impact environnemental d’un panneau solaire photovoltaïque


Les 2 composantes principales relatives à l’impact environnemental de la fabrication d’un panneau solaire photovoltaïque sont :

- Le temps de retour énergétique : temps nécessaire pour qu’un panneau produise la quantité d’énergie qu’il a nécessité pour sa production

- L’émission de CO² résultant de son processus de fabrication

Différentes études indiquent que l’énergie nécessaire pour réaliser un panneau solaire photovoltaïque est d’environ 2 500 kWh / kWc. Sachant que la production moyenne d’un panneau solaire est en France de 1000  kWh / kWc, le temps de retour énergétique se situe donc aux alentours de 2,5 ans.

Par ailleurs, d’après le « Product Environmental Footprint Category Rules », recueil de règles propres aux panneaux photovoltaïques validé par la commission européenne en 2018, l’émission de C0² a été estimé pour les panneaux photovoltaïques à base de silicum cristallin entre 48,8 CO2-eq/kWh (silicium polycristallin) et 80,4 CO2-eq/kWh (silicium monocristallin).




9. La maintenance d’un panneau solaire photovoltaïque


Un panneau solaire photovoltaïque ne nécessite que très peu de maintenance régulière. La seule chose à réaliser régulièrement, c’est de s’assurer que les panneaux ne sont pas sales (poussière, défections d’oiseaux, feuilles mortes, …)

En effet, un simple encrassement des panneaux peut être à l’origine d’une baisse de 5% de leur rendement. La présence de feuilles mortes ou autre corps étranger peut générer une ombre qui peut avoir des conséquences plus importantes sur la performance des panneaux comme nous l’avons vu précédemment.


Pour en savoir plus sur l'entretien des panneaux solaires photovoltaïques : c'est par ici !

10. Le recyclage d’un panneau solaire photovoltaïque


Contrairement à certaines idées reçues, il existe une filière de recyclage performante pour les panneaux solaires photovoltaïques. En effet elle permet de recycler presque 100% des panneaux.

La vidéo présente ci-dessous un exemple d’un centre de recyclage exploité par Véolia.


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