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De l’usine de cellules photovoltaïques à l’installation sur un toit

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
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De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

  
DossiersLes cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
 

Les panneaux solaires installés sur les toits, ou dans des centrales photovoltaïques, incorporent des dizaines de cellules qu'il faut particulièrement bien protéger. En effet, elles sont sensibles à de nombreux facteurs environnementaux, comme l'humidité ou la poussière. L'encapsulation puis la lamination sont donc nécessaires avant d'installer des panneaux sur un toit.

Les principales cellules photovoltaïques actuellement ou prochainement produites viennent d'être décrites en détail, mais que deviennent-elles une fois leur fabrication terminée ? En effet, elles ne peuvent pas être posées telles quelles sur les toits (ou ailleurs), car elles sont sensibles à l'humidité, à la poussière ou encore à divers agents corrosifs. Il faut donc les protéger du milieu extérieur avant toute utilisation.

De même, la production électrique d'une seule cellule est faible. Il faut donc en assembler des dizaines pour obtenir la production électrique escomptée. Par exemple, 15 à 30 m2 de panneaux solaires sont requis pour qu'une installation puisse atteindre une puissance de 1,5 à 3 kW.

Finalement, le courant produit est continu et ne peut donc pas être injecté dans un réseau électrique. Voyons quelles solutions ont été trouvées à tous ces problèmes.

L’encapsulation, ou la survie de la cellule

Malgré des procédés de fabrication parfaitement identiques, les cellules sont toutes testées individuellement à la fin de leur production. Seules des cellules présentant des propriétés électriques identiques sont assemblées conjointement. Pour ce faire, des rubans métalliques sont utilisés pour unir le contact arrière d'une unité avec le contact avant de la cellule suivante. Elles peuvent être regroupées aussi bien en série ou en parallèle, en fonction des caractéristiques que l'on souhaite donner au module.  

Installation photovoltaïque typiquement rencontrée chez un particulier. Le courant continu produit par les panneaux solaires est transformé en courant alternatif pour rejoindre le réseau. © Idé

Une fois l'assemblage terminé, les cellules sont placées entre deux couches d'éthylène-acétate de vinyle (EVA) ou de polyvinyle de butyral (PVB). Ces deux polymères sont à la fois transparents (transmission de la lumière supérieure à 90 %), non conducteurs de courant, très collants sous certaines conditions, imperméables à l'eau et résistants à la chaleur. Bref, il s'agit des matériaux idéaux pour isoler les cellules de leur environnement.

Enfin, si le panneau est destiné à être rigide, l'ensemble peut être inclus entre deux plaques de verre, ou entre une vitre et une plaque arrière faite de couches minces de polymère (Mylar, Tedlar) et d'aluminium (conception monoverre). Les connexions de sortie sont alors fixées sur la face arrière des panneaux. Le verre employé est de qualité solaire. Il contient moins de fer qu'une vitre classique, pour permettre une meilleure transmission de la lumière. Le tout est emprisonné dans un cadre métallique, bien souvent en aluminium.

Quand tous les éléments fusionnent : la lamination

Le module solaire n'est pas encore totalement terminé à ce stade. Il renferme toujours de l'air et l'encapsulation n'est pas parfaite, l'EVA ou le PVB ne s'étant pas encore liés fortement aux divers constituants. C'est pourquoi une étape de lamination est requise.

Représentation schématique d’un lamineur servant à l’encapsulation des cellules photovoltaïques au sein des panneaux solaires. Le procédé est décrit ci-dessous. Tous les composants du panneau sont inclus dans le laminat. © El Amrani et al., Revue des énergies renouvelables, 2006

Tous les éléments (cellules, EVA, verre, aluminium) sont insérés dans la chambre inférieure d'un lamineur qui est maintenue à 100 °C. Le vide est alors réalisé dans le compartiment. Dans un deuxième temps, la chambre supérieure, qui était jusqu'alors maintenue sous vide, est mise à pression atmosphérique, ce qui provoque la descente d'une membrane sur le panneau. La pression exercée sur ce dernier et l'action continue de la pompe à vide du premier compartiment finissent d'extraire l'air qui pouvait encore subsister dans l'assemblage. Il ne reste plus qu'à faire monter la température à 156 °C durant 15 minutes pour faire polymériser l'EVA ou le PVB.

À leur sortie du lamineur, les modules présentent des excédents d'encapsulant, qui sont alors retirés manuellement. Lorsque les boîtes de connexion ont été ajoutées, le panneau peut être stocké en attendant d'être vendu.

Une fois installés et raccordés entre eux, les panneaux photovoltaïques fournissent un courant continu qui est converti en courant alternatif grâce à un onduleur. Dès ce moment, l'électricité produite peut être injectée sur le réseau, après être passée dans un compteur, ou stockée dans des batteries... jusqu'à ce que les panneaux arrivent en fin de vie ?