Cellules solaires : Quels modules solaires offrent actuellement la meilleure technologie et les meilleures performances ?

Le développement technologique des cellules solaires progresse rapidement. Ce qui était à la pointe de la technologie hier est souvent obsolète demain. Les avancées technologiques rendent les systèmes toujours plus robustes et efficaces, entraînant une demande croissante d'électricité photovoltaïque. Cette demande devrait être encore stimulée par la loi allemande sur la protection du climat et l'objectif de neutralité climatique de l'Allemagne d'ici 2045, ce qui explique la forte augmentation attendue de la part des énergies renouvelables dans les années à venir.

L'efficacité de la technologie photovoltaïque dépend essentiellement des différents types de modules solaires utilisés. En Allemagne, quatre types de modules en particulier dominent le marché des systèmes photovoltaïques. Nous présentons leurs avantages et leurs inconvénients, ainsi que leurs perspectives d'avenir.

Modules solaires : quels sont les différents types ?

Les différents types de modules photovoltaïques se caractérisent par des différences parfois importantes dans leur conception technique. Il en résulte des performances, une durée de vie et des coûts très variables. Nous les examinerons plus en détail ci-dessous :

• Modules verre-verre / double vitrage
• modules polycristallins
• modules monocristallins
• Modules à couches minces
• Modules CIS/CIGS

Dans le module en verre doté de la technologie des cellules bifaciales, la lumière est captée à la fois sur la face avant et la face arrière du module. L'augmentation de la quantité de lumière captée accroît l'efficacité du module.

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Les modules photovoltaïques polycristallins, tout comme leurs homologues monocristallins, sont fabriqués à partir de silicium. Après fusion, le silicium est coulé dans des moules rectangulaires allongés, puis refroidi lentement. Les structures cristallines ainsi obtenues sont ensuite séparées lors d'étapes de production ultérieures et découpées en plaquettes, qui constituent les cellules solaires polycristallines. Visuellement, elles se distinguent par leur couleur bleue caractéristique.

Ce procédé présente l'avantage d'être relativement peu coûteux, ce qui explique pourquoi les modules photovoltaïques polycristallins ont longtemps figuré parmi les cellules solaires les plus utilisées. Cette technologie a fait ses preuves depuis de nombreuses années et est donc extrêmement fiable. Outre sa faible sensibilité aux dysfonctionnements, sa longue durée de vie est un autre atout. Cependant, le procédé de fabrication présente l'inconvénient de créer des imperfections aux interfaces entre les cristaux. Il en résulte un rendement moyen de ces cellules solaires, de l'ordre de 12 à 16 %. Par conséquent, l'espace requis augmente et le rendement diminue.

Deux autres inconvénients communs aux modules polycristallins et monocristallins sont leur poids relativement élevé et les pertes de performance qu'ils subissent dans des conditions de lumière diffuse et à haute température.

Les modules monocristallins sont également fabriqués en silicium. Contrairement aux modules polycristallins, le silicium est fondu une seconde fois, ce qui donne des monocristaux colonnaires (d'où le terme « mono »). Ils ne subissent pas les pertes par frottement observées dans les modules polycristallins. Il en résulte un rendement supérieur, pouvant atteindre 20 %, pour ces cellules solaires aux reflets bleu foncé à noirs.

Outre leur faible sensibilité aux dysfonctionnements et leur conception éprouvée depuis des décennies, les modules monocristallins se caractérisent par leur format compact. Cependant, leur fabrication est relativement coûteuse. De plus, ils sont relativement lourds et leur rendement diminue en cas de faible luminosité et de températures élevées.

En résumé, les deux types de modules cristallins offrent des performances efficaces. Cependant, ils sont relativement lourds, et les modules solaires monocristallins sont préférables dans les espaces restreints en raison de leur rendement supérieur. Ce rendement plus élevé a conduit à leur adoption généralisée au détriment des cellules solaires polycristallines, malgré leur prix plus élevé.

Cependant, le fait que les modules polycristallins soient jusqu'à un tiers moins chers (par kWc) leur assure une grande popularité, notamment pour les grands systèmes photovoltaïques sans contraintes d'espace.

Comme leur nom l'indique, les modules à couches minces se caractérisent par leur épaisseur extrêmement réduite. Traditionnellement, ils sont fabriqués à partir de semi-conducteurs en silicium amorphe. Dans ce système, un substrat, généralement en verre, est recouvert d'une fine couche. Ce procédé de fabrication permet d'obtenir des cellules solaires à couches minces environ 100 fois plus fines que deux modules solaires en silicium massif.

En microélectronique, photovoltaïque et microsystèmes, les plaquettes sont des disques circulaires ou carrés d'environ un millimètre d'épaisseur. Elles sont fabriquées à partir d'ébauches monocristallines ou polycristallines (semi-conductrices), appelées lingots, et servent généralement de substrats (plaques de base) pour les composants électroniques, notamment les circuits intégrés (CI, « puces »), les composants micromécaniques et les revêtements photoélectriques. Lors de la production de composants microélectroniques, plusieurs plaquettes sont généralement regroupées en lots et traitées successivement ou en parallèle.

C'est également l'un des principaux avantages des modules à couches minces : leur légèreté leur confère une grande flexibilité et une grande polyvalence. De ce fait, ces modules ne sont plus seulement utilisés dans les grandes installations photovoltaïques, mais aussi pour l'alimentation de montres et autres petits appareils électroniques. Par ailleurs, leur fabrication est simple et peu coûteuse grâce à leurs faibles besoins en matières premières, ce qui a encore favorisé leur large diffusion. Enfin, leur courbe de performance reste plus stable en conditions d'éclairage défavorables que celle des deux modules cristallins mentionnés précédemment.

Cependant, ces modules étroits présentent l'inconvénient d'un rendement nettement inférieur à celui des autres cellules solaires. Ce rendement peut descendre jusqu'à 7 %, ce qui implique que leur utilisation dans les systèmes photovoltaïques nécessite un espace considérable. Pour atteindre un rendement supérieur, les fabricants se sont tournés vers la production de modules à couches minces en tellurure de cadmium (CdTe). Ce principe de conception offre l'avantage d'un rendement légèrement supérieur, jusqu'à 8 %. Il est particulièrement adapté aux zones à forte brume et brouillard, ainsi qu'à la lumière diffuse. Toutefois, les utilisateurs doivent accepter des prix plus élevés et des coûts supplémentaires liés au recyclage plus onéreux du cadmium contenu dans les modules lors de leur mise hors service. Malgré ces coûts accrus, l'utilisation de cette conception de module plus efficace est en pleine expansion.

De nombreuses entreprises étudient actuellement des modules à couches minces fabriqués à partir de sulfure de cuivre-zinc-étain et de soufre (CZTS). Ce matériau semi-conducteur présente l'avantage, par rapport aux cellules solaires à couches minces classiques, de ne pas nécessiter l'utilisation d'éléments rares et toxiques. Cependant, il faudra probablement encore du temps avant que cette technologie ne soit prête pour une production de masse.

Ces modules sont un type particulier de cellule solaire à couches minces et représentent actuellement le deuxième modèle le plus répandu dans ce domaine, après les modules CdTe. Ils sont composés de diséléniure de cuivre-indium (CIS) ou de diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) et conduisent l'électricité nettement mieux que les modules à couches minces à base de silicium. Leur rendement, compris entre 12 et 15 %, est parmi les plus élevés pour les cellules solaires à couches minces. Ils présentent également des pertes minimales en lumière diffuse et à haute température, et sont par ailleurs légers et résistants aux défauts.

Ces avantages sont contrebalancés par le coût élevé du processus de fabrication et la complexité du recyclage du sélénium contenu dans les modules. De plus, la relative nouveauté de ces modules explique le manque de données à long terme sur leur durabilité. Cependant, c'est avant tout leur prix élevé qui a freiné la production de ces cellules solaires pendant des années.

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