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Rendement des panneaux solaires

Perte d’énergie, rendement d’un panneau

Les panneaux solaires produisent de l’énergie en transformant une énergie lumineuse en énergie électrique. Ce processus, comme tout processus de transformation d’énergie, est accompagné d’une perte nécessaire.

panneaux rigides Sunpower

Les cellulles Sunpower back contact monocristallines ont un excellent rendement de 22.6%.


Nous nous intéressons au rendement des  panneaux solaires classiques comportant deux couches de silicium, l’une avec un excès d’électrons P, l’autre comportant un manque d’électrons N. Un panneau solaire reçoit une quantité d’énergie sous forme de rayonnement pour la transformer en énergie électrique. Ces panneaux ont un rendement maximum théorique qui ne peut pas être dépassé. Une partie de cette énergie sera perdue et évacuée sous forme de chaleur. Les pertes peuvent être classées en trois catégories :

  1. Perte dues au niveau d’énergie. Pour libérer un électron lié à un atome et contribuer à la création du courant électrique la lumière doit fournir une quantité d’énergie située dans un intervalle bien précis. Cette énergie est diffusée par la lumière sous forme de photons. Chaque couleur de lumière libère des photons ayant une énergie déterminée par cette couleur. Seuls les photons d’une partie de la lumière rouge, de la lumière jaune et d’une partie de la lumière bleue sont actifs. Les photons liés aux infra rouges ne peuvent pas fournir une énergie suffisante pour libérer les électrons, les photons liés aux violets, aux ultra-violets possèdent une énergie trop grande, les électrons absorbant cette énergie ne peuvent pas entrer dans le circuit électrique. Pour ce qui est de cellules solaires classiques comportant deux couches de silicium, seuls 52% de l’énergie reçue par le rayonnement solaire peuvent être transformés. Cette valeur est incontournable si on utilise des cellules au silicium à deux niveaux P et N.
  2. Perte par rayonnement. Une partie du rayonnement est réfléchie par la surface recouvrant le panneau, cette lumière n’atteint pas les cellules, cette énergie lumineuse n’est pas utilisée. Ce rayonnement thermique ne peut pas être complètement illuminé, tout objet élevé ayant une certaine température émet un rayonnement thermique. On évalue à 7% les pertes par rayonnement. La recombinaison d’électrons est une autre source de perte, certains électrons circulant peuvent rejoindre un emplacement du réseau de silicium, boucher un trou en quelque sorte, de l’énergie est alors libérée.
  3. Pertes résistives. Les électrons circulent dans les cellules ils créent un courant électrique, ce courant dégage une énergie thermique, situation analogue aux pertes d’énergie  rencontrées quand un courant passe dans une résistance. Ces pertes peuvent être limitées mais elles sont incontournables. Ces pertes nécessaires se situent aux environs de 30%.

Toutes ces pertes s’ajoutent. Le meilleur rendement théorique possible d’un panneau au silicium à deux couches est de 33,5%, si un panneau reçoit une énergie solaire de  100Watts l’énergie électrique maximum reçue sera de 33,5Watts. Cette limite sera difficile à atteindre, à l’heure actuelle des panneaux d’un rendement de 25% ont été construits au Japon. Ces panneaux ne sont pas encore produits industriellement, ce résultat a été obtenu en utilisant des couches de silicium très fines, difficiles à produire en série.
Les cellules Sun Power ont un rendement de 22,6%  l’un des meilleurs rendements du marché.

Autres technologies permettant un meilleur rendement.
Il est possible de concevoir des panneaux possédant un meilleur rendement mais il s’agit alors d’une technologie beaucoup plus complexe : les panneaux multi couches. On  utilise successivement plusieurs couples de semi-conducteurs  différents, les panneaux sont susceptibles d’absorber des lumières ayant un spectre plus large, des infra-rouges aux ultra-violets. Ces fabrications sont délicates et très  couteuses, elles sont réservées aux domaines où le problème de poids est vital, comme la construction spatiale.

Des chercheurs essaient de modifier le spectre lumineux avant qu’il arrive sur les cellules photovoltaïques,  une couche de nano tubes recouvre le panneau, et modifie les fréquences de la lumière pour l’adapter aux valeurs acceptables par les cellules.

Ces technologies fabriquées en laboratoire sont encore du domaine de la recherche, les coûts très importants de leur production ne justifiant pas le gain de productivité.