Photovoltaïque dérive de «Foto» du grec lumière et «voltaïque» Volta, le premier scientifique à étudier le phénomène électrique. Le photovoltaïque est la technologie qui permet de transformer directement les radiations solaires en énergie électrique en exploitant les propriétés de matériaux semi-conducteurs comme le silicium.

une installation photovoltaïque est composée de:

• modules ou panneaux photovoltaïques qui transforment la lumière en énergie électrique, fixés sur des ossatures porteuses consentant une orientation et une intégration au bâti optimales
• onduleur qui transforme le courant continu généré par les modules en courant alterné, et qui est relié au réseau électrique par des cadres électriques et des câbles.
• compteur pour mesurer l'énergie produite et celle vendue au réseau.

L'élément de base de l'installation est la cellule photovoltaïque, consitutée de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si), et plus rarement d'autres semi-conducteurs : sélénure de cuivre et d'indium, tellurure de cadmium (CdTe), etc. etc. La cellule est une fine plaque de 0,3 à 0,5 mm, de forme circulaire, rectangulaire ou octogonale.
Quand la lumière solaire frappe la cellule, un courant électrique continu est généré, comparable à une faible pile. Une cellule carrée de 156 mm de côté génère 3,5W sous conditions standard, à une température de 25°C et une radiation solaire de puissance équivalente à 1.000 W/m2.

Les cellules sont réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires.
Les modules sont reliés entre eux électriquement en série ou en parallèle atteignant une puissance qui varie entre des centaines à des millions de Watts. Un ensemble de modules forment l'installation photovoltaïque.

Une installation photovoltaïque présente une extrême flexibilité sur différentes surfaces. Les modules photovoltaïques peuvent être placés sur des toitures, façades, auvents, barrières sonores, couvertures de toitures de parking ou au sol. En Italie, les conditions optimales sont:

• exposition sud (voire sud-est, sud-ouest d'où légère perte de production)
• inclination des modules comprise entre 25° (latitudes plus aux sud) et 35° (latitudes plus au nord)
• absence d'ombres

En Italie, le pays du soleil, les installations photovoltaïques présentent de nombreux avantages:

• retour sur l'investissement (RSI) en 6 à 8 ans
• durée moyenne des modules photovoltaïques de 25 à 30 ans, avec une diminution estimée de rendement inférieure à 20%
• fiabilité maximale car l'installation traditionnelle ne dispose d'aucun mécanisme en mouvement
• coûts d'exploitation quasi nuls
• coût de démantèlement très faible
• modularité de l'installation (pour augmenter la puissance de celle-ci, il suffit d'augmenter le nombre de modules)
• absence d'émissions polluantes et économie de combustibles fossiles

Il existes deux typologies d'installations photovoltaïques:

• les systèmes autonomes avec stockage ou «stand-alone systems» ne sont pas connectés au réseau électrique national. Ils sont utiles dans les zones isolées (maisons, refuges, caravanes, bâteau, illuminations extérieures etc.). L'énergie produite est directement consommée par l'usager et celle en excédent est accumulée dans des batteries qui assurent la disponibilité d'énergie. En cas de black-out, elles peuvent garantir l'électricité à l'usager propriétaire de l'installation là où l'électricité n'arriverait pas autrement.
• les systèmes raccordés au réseau ou «grid-connected systems» sont directement reliés au réseau électrique publique qui garantit l'alimentation même en absence de soleil. L'énergie produite en excès par rapport aux propres besoins peut:
  • être émise dans le réseau et prélevée successivement lorsque la production est inférieure à la consommation
  • être vendue au réseau de distribution

Pour un 1kW de puissance nominale installée, on compte une surface entre 6 à 12 m2 en fonction de la technologie utilisée (modules mono, multicristallins ou de couches minces). En Italie, une famille de 4 personnes a une consommation moyenne d'énergie annuelle de l'ordre de 4.000 kWh. Selon les régions où elle est réalisée, l'installation sera supérieure ou égale à 3 kWc et occupera une surface au sol de 24 m2 environ.

Le watt (W)

Le watt est l'unité de mesure de la puissance du système international. Il mesure une puissance (ou énergie en mouvement), soit une énergie appliquée à un laps de temps (d'une seconde).
Watt - W - 1W
Kilowatt - KW - 1,000W - 10³ W
Megawatt - MW - 1,000,000W - 10⁶ W
Gigawatt - GW - 1,000,000,000W - 10⁹ W
Terawatt - TW - 1,000,000,000,000 - 10¹² W

Le Wattheure (Wh)

Il s'agit de l'unité de mesure d'énergie qui correspond à la puissance fournie pendant une heure. Le wattheure mesure une quantité d'énergie ("statique" et non "en mouvement"). Il est en général utilisé pour quantifier la tarification de l'énergie.

Le kilowatt-crête (kWc)

Le watt-crête est une unité de mesure représentant la puissance maximale d'un dispositif.
Cette unité est utilisée pour caractériser les matériaux photovoltaïques. Dans ce cas, elle indique la puissance électrique maximale pouvant être fournie dans des conditions standard:

• un ensoleillement de 1.000 W/m2
• une température des panneaux de 25°C
• une répartition spectrale du rayonnement dit AM 1,5 correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir traversé une atmosphère de masse 1kg à 45°C. Si la température est supérieure à 25°C, il faut compter une perte de rendement de 0,4% par degré.

L'installation photovoltaïque produit de l'énergie non seulement lorsque les modules sont soumis à la radiation de la lumière directe mais aussi lorsqu'ils reçoivent une lumière diffuse ou réfléchie.

L'Italie est le pays du soleil qui représente une source importante d'énergie durable, gratuite et illimitée. L'Italie est l'un des pays européens bénéficiant du plus grand nombre d'heures de radiation solaire comprise entre 1.150 et 1.500 heures moyennes/an en fonction de la latitude.

La production électrique annuelle d'une installation photovoltaïque dépend des facteurs suivants:

• radiation solaire sur le site de l'installation
• orientation et inclination de la surface des modules
• absence/présence d'ombres
• prestations techniques des composants de l'installation (modules, onduleur et autres dispositifs).

Lo schema di connessione dell'impianto alla rete è definito dal gestore di rete a cui l'impianto deve essere connesso.
è necessario pertanto fare riferimento alle norme tecniche rese disponibili dal gestore di rete locale.

Une installation photovoltaïque a une vie moyenne utile de 20 à 25 ans. En effet, les producteurs garantissent une durée de vie de plus de 20 ans. Après 25 ans, on considère une baisse inférieure à 20% des prestations énergétiques. Les onduleurs, par contre, ont une durée de vie inférieure à ceux des modules.

Le photovoltaïque naît pour fournir de l'énergie aux satellites mis en orbite autour de la terre. Dans l'espace, les interventions de maintenance sont quasi impossibles. Ainsi, la technologie photovoltaïque a prouvé être très fiable non seulement pour sa durée de vie. Aujourd'hui encore le photovoltaïque alimente les satellites.

Il est reconnu à toutes les installations photovoltaïques de puissance supérieure à 1kWc relié au réseau.
Peuvent bénéficier du programme incitatif:

• les personnes physiques
• les personnes juridiques
• les sujets publics
• les co-propriétés de maisons et/ou immeubles

Le «Conto Energia» est un mécanisme de tarifs incitatifs de l'Etat pour promouvoir la production d'énergie électrique provenant d'installations photovoltaïques reliées au réseau électrique national. Il rémunère l'énergie produite par une installation pendant 20 ans.

En Italie, les tarifs incitatifs sont émis par le Gestore dei Servizi Energetici, GSE S.p.a. - www.gse.it

En Italie, les tarifs incitatifs sont émis par le Gestore dei Servizi Energetici, GSE S.p.a. - www.gse.it

Les tarifs incitatifs sont émis pendant 20 ans. Pendant cette période, le tarif ne change pas. A l'échéance de cette période vicennale, les bénéfices du photovoltaïque se poursuivent:

• échange sur le lieu de l'électricité pour les installations de puissance non supérieure à 20 kW
• rémunération de l'électricité vendue au réseau pour toutes les installations de puissance exception faite de celles de puissance jusqu'à 20 kW qui ont opté pour le service d'échange sur le lieu.

On estime une période de retour sur l'investissement (RSI) entre 6 à 8 ans. Celui-ci varie en fonction de:

• la quantité de radiation solaire disponible (selon la latitude du lieu de l'installation et de l'orientation)
• le coût au kW de l'installation (en fonction de la taille de l'installation)
• la valorisation de l'énergie produite (valeur des tarifs incitatifs et valeur de l'énergie utilisée)

Du silicium au module photovoltaïque

Exemple du procédé de production d'un module policristallin

Le silicium est l'élément le plus utilisé pour la production de cellules photovoltaïques. Il se trouve dans la nature non pas à l'état libre mais sous forme de composés: la silice dans le sable, le quartz, le cristobalite etc. ou dans d'autres silicates (feldspaths, kaolinite etc.). C'est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène.

Il est extrait des mines et purifié à travers différents procédés. En tant que semi-conducteur, le silicium est l'élément principal utilisé pour la fabrication de cellules solaires photovoltaïques. Pour les usages de l'industrie photovoltaïque, il doit atteindre un degré de pureté de 99,999 99% (silicium de qualité solaire).

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l'électricité. C'est l'effet photovoltaïque qui est à l'origine du phénomène. Sous l'effet de l'éclairement, la cellule photovoltaïque produit de l'électricité, un courant continu.
Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constitutées de semi-conducteurs, en général, à base de silicium (Si) et plus rarement d'autres conducteurs: sélénure de cuivre et d'indium, tellurure de cadmium etc.
Elles se présentent sous la forme de fines plaques de 10 à 15 cm et d'une épaisseur de l'ordre du millimètre.
Les cellules sont protégées par deux couches:

• La surface antérieure est couverte d'une couche de verre trempé aux prestations optiques élevées qui protège le module non seulement des agents atmosphériques mais également des éventuels impacts. Cette couche retient également la lumière et limite l'effet de reflet.
• La surface postérieure, par contre, est couverte d'une couche plastifiée pour rendre le module hermétique à l'air et à l'eau.
• Pour rendre la partie antérieure compacte, le module est rodé. Le cadre en aluminium incorpore tous les éléments du module et permet de relier ce dernier à l'ossature porteuse. Le boîtier de protection, soudé et scellé au dos du module, permet la connection électrique entre les différents modules pour former l'installation photovoltaïque globale, en fonction de la puissance recherchée.

Un module photovoltaïque est, en général, formé de cellules, éléments de base qui transforment directement la lumière en énergie électrique.
Il existe différentes techniques de fabrication de modules photovoltaïques qui peuvent être de type cristallin (mono et multi) et de couches minces (dont la tecnologie CIGS).

Le silicium monocristallin

Il s'agit d'un matériel qui a une surface plate et uniforme. On le reconnaît à sa couleur bleu foncé et à sa forme octogonale.

Le silicium monocristallin est fondu et forme un lingot cylindrique de 20 cm de diamètre et d'un mètre de long. Le lingot de silicium, une fois refroidi et solidifié, est découpé en fines tranches, appelées wafer. Les cellules sont réalisées en dopant les wafers pour créer une jonction p-n (pôles positif et négatif). Des électrodes sont posées pour transporter le courant et les cellules sont revêtues d'une couche anti-reflet.

Le silicium multicristallin

Il s'agit d'un matériel composé de nombreux petits cristaux de silicium et qui apparaît irrégulier car on distingue les motifs créés par les différents cristaux. Sa couleur bleue et sa forme carrée le caractérisent.

Le silicium multicristallin est fondu puis versé dans une lingotière où se forme plusieurs cristaux. Une fois refroidi, il est découpé en lingots de la taille de la cellule. Les cellules sont réalisées en dopant les wafers pour créer une jonction p-n (pôles positif et négatif). Des électrodes sont posées pour transporter le courant et sont revêtues d'une couche anti-reflet.

Couche mince ou thin film

De fines couches de silicium semi-conducteurs sont vaporisées et appliquées sur une couche, en général, de verre de dimensions supérieures à celles des cellules. L'une des technologies prévoit l'immersion des couches de silicium dans des cuves électrolitiques. Les couches de silicium sont ensuite sous-divisées en plusieurs cellules au laser.

La couche de silicium a une épaisseur d'environ 2 micromètres. Elle est donc 200 fois plus mince que les cellules de silicium cristallin, d'où leur nom, couches minces.

Les matériaux aujourd'hui les plus utilisés sont:

• le silicium amorphe (utilisé pour les montres, calculatrices etc.), le matériel le plus utilisé après le silicium cristallin
• le silicium cristallin
• le silicium amorphe et le silicium cristallin ou technologie Tandem avec deux couches pour obtenir un plus ample spectre de lumière et augmenter l'éfficacité du module
• CIS (Cuivre, indium et sélénium) et CISG (Cuivre, indium, sélénium et gallium)
• CdTe (tellure de cadmium)

La technologie de couche mince présente de nombreux avantages:

• elle requiert une mineure quantité de matériaux semi-conducteurs de 1 à 2 micromètres par rapport au 160 à 200 micromètres d'épaisseur des cellules cristallines
• elle a un coût inférieur de processus de fabrication, par exemple dans la température de fabrication (200° à 500° pour les couches minces contre 1500° pour les cellules cristallines)

CISG (Cuivre, indium, sélénium et gallium)

Il s'agit d'un matériel semi-conducteur.
Composé de cuivre, indium, sélénium et gallium.
Il est utilisé pour la réalisation de cellules photovoltaïques de couche mince. Ce matériel en alternative au silicium a une forte capacité d'absorption du soleil.
Cette technologie est parmi les plus prometteuses car hautement performantes. Elle est en outre de design et d'application facile grâce à différentes ossatures porteuses.

Les deux technologies d'installation utilisent le soleil comme source d'énergie, en absorbant la radiation à travers des surfaces adaptées. Alors que les modules photovoltaiques transforment la radiation solaire en énergie électrique, les panneaux solaires thermiques utilisent l'énergie solaire thermique pour réchauffer l'eau pour usages sanitaires ou pour le chauffage.

La «grid parity» est le moment auquel le coût du kilowattheure photovoltaïque équivalent au coût des énergies fossiles. L'énergie produite par des installations photovoltaïques croît rapidement en Italie qui pourrait devenir l'un des premiers pays à atteindre la «grid parity».

Le soleil a une vie estimée à 5 billions d'années
Chaque jour, la terre transmet sur la terre 1.367 watt par m2.
La quantité d'énergie solaire qui arrive sur le sol terrestre est donc d'environ 10.000 fois supérieur au besoin énergétique du monde entier en un an.