Tout savoir sur la fabrication des panneaux solaires

Découvrez la technologie solaire dans toute sa complexité, son ingéniosité mais aussi ses défis. Mondial Solar explore le processus de fabrication des panneaux solaires, de la microscopique cellule photovoltaïque à l’assemblage final. Nous passerons en revue le rôle du silicium, matériau au cœur du géni photovoltaïque, ainsi que les défis écologiques liés à sa production. Vous en saurez également davantage sur les enjeux du recyclage des modules solaires ainsi que sur leur bilan carbone global. C’est parti !

La composition d’un panneau solaire photovoltaïque à la loupe

Des cellules photovoltaïques aux connecteurs en passant par le verre de protection et les cadres, chaque pièce du panneau solaire photovoltaïque joue sa partition pour produire une électricité verte, propre et durable. 

Et avec les progrès constants des laboratoires de R&D spécialisés dans le photovoltaïque, la composition des modules évolue constamment, avec l’intégration d’innovations majeures comme les cellules à hétérojonction, le verre photovoltaïque transparent ou encore les cadres en matériaux composites. Synthèse !

Les cellules photovoltaïques

Le cœur du panneau solaire photovoltaïque est composé de cellules photovoltaïques, généralement en silicium. Ces cellules sont responsables de la conversion de l’énergie solaire en électricité. On distingue deux grandes familles de cellules en silicium : les cellules monocristallines et les cellules polycristallines. 

Le silicium monocristallin, de couleur sombre, a un rendement légèrement plus élevé que le silicium polycristallin, qui est souvent bleu. Les cellules sont connectées en série pour augmenter la tension produite par le panneau solaire.

Les connecteurs

Les connecteurs jouent un rôle majeur dans le transfert de l’électricité produite par les cellules photovoltaïques. Ils connectent les cellules entre elles et permettent également de relier les panneaux solaires les uns aux autres, ainsi qu’à l’onduleur, qui va transformer le courant continu produit en courant alternatif utilisable dans notre réseau électrique.

Le verre de protection

Le verre de protection protège les cellules photovoltaïques des éléments extérieurs comme le vent, la pluie ou encore la grêle. Les fabricants utilisent le plus souvent du verre trempé, qui est plusieurs fois plus résistant que le verre ordinaire. En plus de cet impératif de solidité, le verre de protection est aussi conçu de manière à permettre un passage optimal de la lumière solaire vers les cellules photovoltaïques.

Le cadre du panneau solaire

Généralement fabriqué en aluminium, le cadre du panneau solaire assure la rigidité et la robustesse de l’ensemble. Il facilite l’installation du panneau, permettant son montage sur diverses structures sans craindre de le détériorer, qu’elles soient au sol, sur un toit ou intégrées dans une façade.

La feuille arrière et la boîte de jonction

Comme son nom l’indique, la feuille arrière, ou « backsheet » en anglais, est une couche protectrice située à l’arrière du panneau solaire. Cette composante protège les cellules et les circuits électriques de l’humidité, des débris et d’autres éléments potentiellement nocifs. Elle complète la boîte de jonction, elle aussi située à l’arrière du panneau solaire. Elle sert à abriter les connexions électriques entre les cellules et les câbles de sortie du panneau. Compte tenu de son rôle et de son emplacement, elle doit être irréprochablement étanche pour éviter toute pénétration d’eau qui pourrait causer des courts-circuits et des risques d’incendie.

Autres composants innovants

Les avancées technologiques que connaît le secteur du photovoltaïque ont fait émerger de nouvelles composantes qui agissent sur la performance et/ou la durabilité des panneaux.

L’innovation la plus en vue reste sans doute les cellules à hétérojonction (HJT), que l’on retrouve notamment chez Panasonic. Ces cellules combinent les avantages du silicium monocristallin et amorphe pour obtenir des rendements de conversion d’énergie solaire plus élevés. Elles se caractérisent par une structure en « sandwich », où deux couches de silicium amorphe sont placées de part et d’autre d’une couche de silicium cristallin.

Autre innovation prometteuse : le développement du verre photovoltaïque transparent, qui intègre de fines couches de cellules solaires entre deux plaques de verre, permettant à la lumière de passer tout en générant de l’électricité. Le potentiel est énorme, puisque l’on pourra, à terme, transformer les fenêtres et les façades de bâtiments en sources d’énergie… une application très intéressante pour aller encore plus loin dans l’efficacité énergétique des bâtiments.

Citons enfin l’introduction de cadres en matériaux composites dans la fabrication des panneaux solaires. Ces cadres, plus légers et plus résistants que l’aluminium que l’on utilise traditionnellement, permettent une plus grande durabilité et une résistance accrue aux intempéries, ce qui peut augmenter la durée de vie des panneaux solaires, avec une meilleure rentabilité des installations.

Le silicium… le matériau de base de l’industrie photovoltaïque

Le silicium est le pilier de l’industrie photovoltaïque, principalement grâce à ses caractéristiques semi-conductrices exceptionnelles qui permettent de convertir efficacement l’énergie solaire en électricité. Pourtant, malgré son abondance dans la nature, le silicium pur requis pour les cellules solaires ne se trouve pas à l’état naturel. 

Son extraction et sa transformation, impliquant un processus complexe et énergivore, soulèvent des enjeux environnementaux significatifs… mais l’industrie photovoltaïque a fait preuve de beaucoup d’innovation et d’ingéniosité pour neutraliser l’impact environnemental et réduire progressivement le bilan carbone des procédés de fabrication.

Qu’est-ce que le silicium ? Et pourquoi est-il si important dans l’industrie photovoltaïque ?

Le silicium est un élément chimique très répandu sur Terre, principalement sous forme de dioxyde de silicium, que vous connaissez sans doute plus communément sous le nom de « quartz ». Bien qu’il soit (très) abondant, le silicium ne se trouve pas à l’état pur dans la nature et doit être extrait et purifié avant d’être utilisé dans la fabrication des cellules photovoltaïques.

La capacité du silicium à conduire l’électricité, qui peut être ajustée en ajoutant des impuretés comme du phosphore ou du bore, en fait un excellent matériau pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Cette propriété, que l’on appelle la « semi-conductivité », permet aux cellules solaires de générer un courant électrique lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil.

Dans les cellules photovoltaïques, le silicium est utilisé sous deux formes principales : le silicium monocristallin et le silicium polycristallin, comme expliqué plus haut. Les cellules en silicium monocristallin, de couleur noire, sont formées à partir d’un unique cristal de silicium, ce qui leur donne une structure régulière, homogène, avec une apparence très flatteuse. Cette structure permet un meilleur déplacement des électrons, rendant les cellules monocristallines légèrement plus efficaces que les cellules polycristallines, mais aussi plus chères à produire.

Les cellules en silicium polycristallin, de couleur bleue, sont formées à partir de plusieurs cristaux de silicium. Cette structure hétérogène permet un rendement légèrement inférieur à celui du silicium monocristallin, mais ces cellules sont aussi moins chères à produire, ce qui les rend plus accessibles pour de nombreux utilisateurs de panneaux solaires.

En dépit de sa prévalence dans l’industrie solaire, le silicium n’est pas sans défauts. Sa production est relativement énergivore et présente des défis environnementaux non négligeables… ce qui nous amène au point suivant !

Les étapes de production du silicium : un process complexe

La production du silicium que l’on retrouve dans les cellules photovoltaïques est relativement complexe, et les procédés peuvent varier d’un fabricant à l’autre, en fonction des avancées technologiques et des normes de qualité. Voici toutefois des indications générales sur les étapes : 

1. Extraction du silicium : le silicium est extrait de la silice, qui est principalement obtenue à partir de sable de quartz. Le processus d’extraction implique généralement des réactions chimiques pour réduire le dioxyde de silicium en silicium pur ;
2. Purification du silicium : le silicium extrait est souvent impur et doit donc subir une purification pour éliminer les contaminants. La méthode de purification la plus utilisée consiste à provoquer une série de réactions chimiques. C’est ce que l’on appelle la purification du silane. Objectif : obtenir du silicium d’une pureté très élevée, généralement supérieure à 99,9999 % ;
3. « Croissance » des lingots de silicium : le silicium purifié est fondu et solidifié pour former de grands lingots de silicium monocristallin ou polycristallin, en fonction du type de panneau solaire à fabriquer. Dans le cas des lingots monocristallins, un petit cristal de silicium pur est utilisé comme « semence » pour faire croître un grand cristal unique ;
4. Découpe en tranches (wafers) : les lingots de silicium sont par la suite découpés en fines tranches, ou « wafers », à l’aide de scies diamantées. Ces wafers sont généralement d’une épaisseur de quelques centaines de micromètres ;
5. « Dopage » et formation des jonctions : les wafers de silicium sont « dopés » avec des impuretés spécifiques, généralement du phosphore ou du bore, pour créer des zones de type N (négatif) et de type P (positif), permettant la conversion de la lumière du soleil en électricité utilisable. Des procédés comme le dépôt de couches ou l’implantation ionique sont utilisés pour ajouter les impuretés et former les jonctions P – N ;
6. Assemblage des cellules : les cellules individuelles sont ensuite assemblées en panneaux solaires en les connectant électriquement en série ou en parallèle (on en parle plus bas). Les cellules sont généralement encapsulées entre une feuille arrière et un verre de protection, offrant une protection contre l’humidité et les dommages mécaniques.

Cellules photovoltaïques : assemblées en série ou en parallèle ?

Dans un panneau solaire, les cellules photovoltaïques sont connectées soit en série, soit en parallèle. Chaque configuration a des implications spécifiques sur le fonctionnement et la performance du panneau.

Dans une connexion en série, l’anode (le côté positif) de la cellule est connectée à la cathode (le côté négatif) de la cellule suivante. C’est un peu comme si vous alignez une série de dominos : l’électricité doit passer par chaque cellule, dans l’ordre. L’avantage de cette configuration est qu’elle augmente la tension : en effet, la tension totale (mesurée en volts) est la somme des tensions de chaque cellule. Cependant, le courant (mesuré en ampères) reste le même que celui d’une seule cellule.

En somme, un panneau solaire dont les cellules sont connectées en série peut fonctionner efficacement même sous un ensoleillement (relativement) faible, car il peut atteindre la tension nécessaire pour alimenter un appareil ou injecter de l’électricité dans le réseau.

Cependant, il y a un inconvénient majeur à cette configuration : si une seule cellule est ombragée, endommagée ou fonctionne mal, vous réduisez considérablement l’efficacité de l’ensemble du panneau, car l’électricité doit passer par toutes les cellules en série.

Dans une configuration en parallèle, toutes les anodes sont connectées ensemble, et toutes les cathodes sont également connectées ensemble. C’est comme si vous aviez plusieurs chemins parallèles sur lesquels l’électricité peut circuler. Dans ce cas, c’est le courant qui s’additionne, tandis que la tension reste la même que celle d’une cellule individuelle. L’avantage de cette configuration est le suivant : même si une cellule est ombragée ou endommagée, on n’affecte pas autant la performance du panneau, car l’électricité peut passer par les autres cellules. En revanche, cette configuration ne permet pas d’augmenter la tension, ce qui peut être un inconvénient dans des conditions de faible luminosité.

Dans la pratique, de nombreux panneaux solaires utilisent une combinaison de configurations en série et en parallèle. Par exemple, plusieurs chaînes de cellules connectées en série (appelées « chaînes ») peuvent être connectées ensemble en parallèle. Cela permet d’augmenter à la fois la tension et le courant, tout en minimisant les pertes d’énergie causées par l’ombrage ou les dommages que peuvent subir les cellules.

Les enjeux environnementaux de la production de silicium

La production de silicium pour les cellules photovoltaïques présente plusieurs défis environnementaux que l’on peut résumer en quatre points majeurs (sans être exhaustif).

La consommation d’énergie

Tout d’abord, le processus de fabrication du silicium est particulièrement énergivore. En effet, la transformation du quartz en silicium de qualité métallurgique, puis en silicium de qualité solaire, nécessite des températures extrêmement élevées, souvent supérieures à 2 000 degrés Celsius. La consommation d’énergie pour cette seule étape peut être importante, et si cette énergie provient de sources non renouvelables, l’empreinte carbone du panneau solaire devient élevée. Comme nous le développerons dans la suite, les fabricants ont conscience de cette contrainte et prennent des mesures en conséquence.

Les déchets du silicium

Ensuite, le processus de découpe des lingots de silicium en fines plaquettes pour fabriquer des cellules solaires génère une quantité significative de déchets de silicium. Heureusement, ces déchets sont aujourd’hui largement recyclés.

L’utilisation de produits chimiques

La fabrication des cellules solaires nécessite l’utilisation de divers produits chimiques, notamment des acides et des solvants, qui peuvent avoir des impacts environnementaux si leur élimination n’est pas gérée dans les règles de l’art. Par exemple, le processus de purification du silicium et la gravure des motifs sur les cellules solaires peuvent produire des déchets toxiques qui doivent être manipulés conformément aux règles de sécurité sur les produits dangereux.

L’utilisation de l’eau

Enfin, la production de silicium pour les cellules solaires nécessite de grandes quantités d’eau, notamment sur la partie du refroidissement et du nettoyage des plaquettes de silicium. Le risque ici pèse surtout sur les ressources en eau locales, en particulier dans les régions où l’eau est déjà rare.

Malgré ces défis importants, les panneaux solaires affichent généralement un bilan environnemental positif sur l’ensemble de leur durée de vie. Selon plusieurs études, l’énergie nécessaire pour produire un panneau solaire est typiquement « remboursée » à la planète en un à trois an(s) d’exploitation, selon l’emplacement et le type de panneau. Par la suite, le panneau solaire va continuer à produire de l’électricité propre pendant plusieurs décennies. Aussi, l’industrie solaire travaille constamment à améliorer l’efficacité de la production de silicium et à réduire son impact environnemental.

Le panneau solaire : un équipement recyclable !

La question du recyclage des panneaux solaires a gagné en importance à mesure que les modules ont trouvé leur public auprès des ménages et des entreprises. La baisse de leurs prix (- 80 % sur les 15 dernières années) et les aides financières de l’Etat et des collectivités ont largement contribué à cet engouement. Autre facteur clé : les premières générations de panneaux solaires arrivent aujourd’hui en fin de vie. Fort heureusement, la plupart des composants des panneaux solaires sont recyclables, même pour les anciens modèles. Le processus présente toutefois quelques défis. Voyons tout cela plus en détail.

Les composants recyclables

Un panneau solaire est composé principalement de verre, de métal, de plastique et de silicium. Le verre et les métaux, notamment l’aluminium du cadre et les fils d’argent ou de cuivre, sont relativement faciles à recycler et ont une forte valeur de revente. Le silicium peut également être recyclé, mais le processus est plus complexe et nécessite une technologie sophistiquée qui n’est pas forcément accessible à tous les industriels.

Le processus de recyclage

Le processus de recyclage commence généralement par le démantèlement du panneau solaire en fin de vie et la séparation de ses composants. Les cadres métalliques et le verre sont généralement retirés en premier, suivis par la couche de plastique qui encapsule les cellules solaires. Les cellules solaires elles-mêmes sont ensuite traitées pour récupérer le silicium et les autres matériaux qui les composent.

La récupération du silicium peut être réalisée de différentes manières, par exemple par dissolution chimique ou par fusion. Cependant, ces processus peuvent être énergivores et générer des déchets chimiques. Les technologies de recyclage doivent encore être développées pour réduire leur empreinte écologique.

Les défis du recyclage des panneaux solaires

Le principal défi qui a ralenti le développement des filières de recyclage des panneaux solaires est aussi l’un des principaux points forts de ces modules : leur durée de vie ! En effet, la plupart des panneaux solaires sont conçus pour durer au moins 25 à 30 ans, ce qui signifie qu’un grand nombre des panneaux installés ne sont toujours pas encore prêts à être recyclés. Ce constat a donc limité le développement de l’industrie du recyclage dans la filière, car le volume de déchets n’est pas encore suffisamment élevé pour rendre le processus rentable et bénéficier d’économies d’échelle importantes.

L’Union européenne a mis en place des réglementations obligeant les fabricants à prendre en charge le recyclage de leurs panneaux solaires, ce qui devrait aider à stimuler le développement de l’industrie du recyclage.

Panneaux solaires : analyse simplifiée de l’impact écologique « net »

Pour évaluer l’impact environnemental des panneaux solaires, il faut tenir compte de deux éléments clés : l’énergie grise, à savoir l’énergie totale nécessaire à leur fabrication, et l’énergie propre produite pendant leur durée de vie. Le rapport entre ces deux valeurs est appelé « temps de retour énergétique » (ou Energy Payback Time, « EPBT »), qui indique le temps nécessaire pour qu’un panneau solaire produise autant d’énergie qu’il en a coûté pour le fabriquer. C’est un genre de « seuil de rentabilité écologique ».

En mettant ces deux chiffres en perspective, l’EPBT pour un panneau solaire est généralement estimé à environ 2 – 3 ans. En somme, au bout de 2 – 3 ans d’utilisation, le panneau solaire aura produit autant d’énergie qu’il en a coûté pour le fabriquer. Par la suite, toute l’énergie qu’il produit est un « gain net » en termes de production d’énergie renouvelable.

Attention : cette analyse est simplifiée et ne tient pas compte des autres impacts environnementaux comme l’utilisation de l’eau, l’extraction des matières premières, l’élimination des déchets, etc. Mais même en tenant compte de ces facteurs, la majorité des études suggèrent que l’impact environnemental global des panneaux solaires sur leur cycle de vie est nettement inférieur à celui des sources d’énergie conventionnelles. Les panneaux solaires contribuent également à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à diminuer notre dépendance aux combustibles fossiles, qui sont par ailleurs sources de tensions géopolitiques majeures.

Des panneaux photovoltaïques pour ma maison : récapitulatif des avantages

L’installation de panneaux photovoltaïques est une décision stratégique qui combine rentabilité économique, résilience énergétique et responsabilité écologique. En capitalisant sur l’énergie solaire, une ressource inépuisable et accessible, vous transformez votre habitation en une véritable centrale d’énergie verte… avec plusieurs avantages à la clé : 

1. Indépendance énergétique : les panneaux solaires vous permettent de générer votre propre électricité. Cette indépendance vis-à-vis du réseau électrique traditionnel peut être particulièrement précieuse dans un contexte où le coût de l’énergie suit une tendance haussière qui n’est pas près de s’inverser ;
2. Retour sur investissement intéressant : bien que l’installation de panneaux solaires représente un investissement initial plus ou moins important, il peut être rapidement amorti grâce à la réduction de vos factures d’électricité et à la vente de l’électricité excédentaire. Par ailleurs, notez que les aides de l’État et des collectivités locales permettent de réduire l’investissement initial. Elles sont pour l’heure plutôt généreuses, mais rien ne garantit qu’elles resteront en place à long terme. Il est donc judicieux d’en profiter tant qu’elles existent ;
3. Valorisation immobilière : l’installation de panneaux solaires peut constituer un atout majeur en termes de valorisation de votre bien immobilier. Plusieurs études, dont notamment une réalisée par le Lawrence Berkeley National Laboratory du Département de l’Énergie des États-Unis, ont démontré que les maisons dotées d’un système solaire peuvent se vendre jusqu’à 4,1 % plus cher que les autres ;
4. Adaptabilité et anticipation des réglementations futures : en France, les initiatives visant à favoriser la transition énergétique s’intensifient. De nouvelles réglementations, comme la RE2020 (Réglementation Environnementale 2020) entrée en vigueur en 2022, encouragent de plus en plus l’autoproduction et l’autoconsommation d’énergies renouvelables. Cette tendance est susceptible de se poursuivre, voire de s’intensifier, avec la mise en place de mesures plus restrictives sur l’utilisation des énergies fossiles. En installant des panneaux solaires aujourd’hui, vous prenez une longueur d’avance en anticipant ces évolutions réglementaires, assurant ainsi la conformité de votre maison aux normes réglementaires à venir ;
5. Soutien à l’industrie des énergies renouvelables : en optant pour l’énergie solaire, vous contribuez à soutenir une industrie qui joue un rôle clé dans la lutte contre le changement climatique et la transition vers une économie plus durable.

Fabrication des panneaux solaires : ce qu’il faut retenir

Dans cet article, nous avons exploré le monde fascinant de l’énergie solaire et des panneaux photovoltaïques, en abordant non seulement leur fabrication, mais aussi leur impact environnemental et leurs avantages pour les propriétaires.

Nous avons commencé par un focus détaillé sur la composition d’un panneau solaire photovoltaïque, en passant en revue les éléments clés de sa structure : les cellules photovoltaïques, les connecteurs, le verre de protection, le cadre, la feuille arrière et la boîte de jonction. Nous avons également évoqué des composants innovants qui améliorent constamment l’efficacité et la durabilité de ces dispositifs.

Nous avons par la suite zoomé sur le silicium, matériau de base de l’industrie photovoltaïque, grâce à sa capacité unique à convertir la lumière en électricité. Nous avons discuté de son importance, de son processus complexe de production et des enjeux environnementaux qui y sont associés. La question de l’assemblage des cellules photovoltaïques, en série ou en parallèle, a également été abordée, mettant en lumière les stratégies d’optimisation de la production d’énergie.

Nous avons ensuite exploré la question de la recyclabilité des panneaux solaires. Malgré des défis certains, les avancées dans le processus de recyclage sont prometteuses, contribuant à réduire davantage l’empreinte écologique de ces systèmes.

Par la suite, nous avons analysé l’impact écologique « net » des panneaux solaires, en considérant l’ensemble de leur cycle de vie, de la production à la fin de vie. Nous avons conclu sur les avantages de l’installation de panneaux solaires pour votre maison, notamment l’indépendance énergétique, le retour sur investissement, la valorisation immobilière, l’anticipation des réglementations futures et le soutien à l’industrie des énergies renouvelables.

Maintenant que vous maîtrisez le processus de fabrication, l’intérêt et les nombreux avantages des panneaux solaires, vous êtes fin prêt à vous engager dans la transition énergétique ! Mondial Solar met à votre disposition une large gamme de panneaux solaires premium, adaptés à vos besoins et à votre budget. Nos experts sont là pour vous accompagner et vous conseiller pour faire un choix éclairé. Profitez d’une énergie propre, renouvelable et gratuite, dopez votre pouvoir d’achat et contribuez à la préservation de notre planète dès aujourd’hui !