L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel. Lorsque les photons issus du rayonnement solaire entrent en contact avec les cellules photovoltaïques, des électrons sont arrachés et se mettent en mouvement. Ils polarisent ainsi les cellules, constituées d'un matériau semi-conducteur. 90% des cellules photovoltaïques du marché sont constituées de silicium cristallin mais il existe d'autres technologies de cellules (couches minces, matériaux organiques).
A l'instar d'une pile, un courant continu est ainsi généré, avec une tension de l'ordre de 0.6V. En mettant ces cellules (en général une soixantaine) bout à bout au sein d'un panneau photovoltaïque, on obtient une tension plus élevée (12 ou 24V). Mis à leur tour bout à bout, les panneaux photovoltaïques constituent une installation photovoltaïque, qui peut être implantée au sol ou sur un bâtiment.
Les panneaux sont reliés à un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif, injectable sur le réseau électrique.
La fabrication
La fabrication des panneaux en silicium cristallin passe par différentes étapes : le silicium est d'abord purifié, puis enrichi pour être semi-conducteur. La cuisson au four le transforme en lingots qui sont ensuite découpés en plaques (dites "wafers"). Après traitement et ajout de phosphore la plaque devient une cellule photovoltaïque polarisée. Reste à assembler les différentes cellules ensemble pour constituer un panneau photovoltaïque.
La durée de vie
La performance électrique des panneaux décroît très progressivement et la plupart des fabricants assure une puissance de 80% de la puissance initiale au bout de 25 ans. Il existe par ailleurs plusieurs installations encore en service dont la durée de vie a dépassé 30 voire 40 ans. Un vieillissement précoce des modules peut cependant être observé dans les premières années en cas de défaut présent au sein du module (dégradation de l'anti-reflet, délamination, défaut des diodes, etc.).
Le recyclage
Depuis 2012 les fabricants ont l'obligation de prendre en charge la collecte et le recyclage des modules photovoltaïques (qui sont considérés comme des Déchets d’Équipements Électriques et Électroniques). Les fabricants se sont regroupés au sein de l'organisme PV CYCLE pour gérer cette prise en charge (via une éco-participation versée par chaque fabricant). C'est la société SOREN qui est missionnée pour la collecte et le traitement des panneaux photovoltaïques en France. Une cinquantaine de points de collecte sont implantés en France.
SOREN indique que les matériaux composants les panneaux photovoltaïques à base de sillicium cristallin avec un cadre en aluminium sont valorisés à 94% par le procédé de recyclage. La répartition des matériaux composant les panneaux est présentée dans l'infographie ci-contre.
En savoir plus sur le recyclage des panneaux photovoltaïques :
> Dossier du site Décrypter l'énergie dédié au recyclage des panneaux photovoltaïques
La puissance nominale que peut délivrer un panneau photovoltaïque dans des conditions standard d'exposition (ensoleillement de 1000W/m2, température de 25°) est appelée puissance crête. Il s'agit d'une puissance maximale (rarement atteinte en pratique) qui permet de comparer différents modules entre eux.
Les panneaux les plus standard du marché ont
- une puissance crête comprise entre 280 et 350 Wc.
- une surface de l'ordre de 1.6 m2 (1m x 1,6m)
On peut ainsi définir un ratio moyen de puissance surfacique de l'ordre de 170 Wc/m2, qui correspond à un rendement maximum du panneau de 17% (170W délivrés sous un ensoleillement de 1000W). Ces ratios varient beaucoup selon la typologie du panneau (consulter les fiches produits des fabricants), il s'agit uniquement d'ordres de grandeur moyens. Autrement formulé, on peut considérer une
- surface moyenne de panneau de 6 m2 / kWc
- soit 54 m2 pour une installation de 9kWc, 215 m2 pou 36 kWc et 600 m2 pour 100 kWc.
L'énergie produite s'exprime en kilowatt-heure (kWh). 1 kWh est l'énergie produite par un équipement qui délivre une puissance de 1 kW pendant 1 heure. L'énergie dépend donc de la puissance fournie et de la durée de fonctionnement. Dans le cas du photovoltaïque, elle dépend donc de l'ensoleillement (qui fait varier la puissance) et des durées d'ensoleillement (variables selon la météo, les périodes jour/nuit et les saisons).
Le productible d'une installation solaire, qui correspond à l'énergie moyenne produite sur une année complète, peut être estimé en fonction de la localisation (à partir des données d'ensoleillement moyennes connues pour cette latitude et cette longitude). Il est souvent ramené à la puissance crête pour pouvoir faciliter les comparaisons : le productible est exprimé en kWh/kWc. En France il peut aller de 900 kWh/kWc (nord du pays) à 1400 kWh/kWc (sud du pays) environ.
La vente totale
Les producteurs photovoltaïques ont la possibilité de vendre l'intégralité de leur production à un fournisseur. Si l'installation fait moins de 500 kWc, l'électricité est nécessairement achetée au tarif d'achat fixé par le gouvernement (voir plus bas). Si l'installation est plus grande, le producteur doit répondre à un appel d'offre dont le cahier des charges est fixé par le CRE. Seuls les lauréats ont alors la possibilité de vendre leur électricité, au tarif qu'ils ont proposé dans leur réponse à l'appel d'offre.
La vente du surplus
Il est également possible d'autoconsommer une partie de la production et de ne vendre que le surplus, c'est à dire l'électricité qui est générée sans pouvoir être consommée au même moment. De la même manière que pour la vente totale, il existe un tarif d'achat définissant les conditions d'achat de cette électricité lorsque l'installation fait moins de 500 kWc.
L'autoconsommation totale
L'autoconsommation totale est possible lorsque le consommateur peut consommer toute l'énergie qui est produite sur son toit. Sauf si l'installation est très petite (< 3 kWc) il doit s'engager à ce qu'aucun surplus n'aille dans le réseau (dispositif de bridage éventuel). il faut donc, pour que cela soit pertinent, que la consommation soit suffisante et suffisamment constante pour pouvoir absorber en permanence la production solaire, quelle que soit l'heure et la saison.
Le tarif d'achat (installations < 500 kWc)
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Conditions d'application
Le tarif d'achat est défini chaque trimestre par le gouvernement. Toutes les demandes de raccordement complètes faites au cours de ce trimestre y sont donc éligibles, sous réserve que les installations respectent les critères généraux d'implantation sur le bâti. Ainsi les systèmes photovoltaïques doivent être
- parallèles au plan de la couverture
- ou sur une toiture plate
- ou intégré en allège, bardage, brise-soleil, mur-rideau, ombrière, pergolas, garde-corps.
Les installations au sol ne sont pas éligibles au tarif d'achat.
Le tarif d'achat dépend de la puissance crête des installations photovoltaïques du site et du mode de valorisation de l'électricité (vente totale ou vente du surplus). La définition du site est un peu complexe dans la mesure où la puissance considérée pour le tarif prend en compte
- la puissance P de l'installation photovoltaïque concernée
- la puissance Q de toutes les autres installations photovoltaïques implantées à moins de 100 m de l'installation considérée et dont les demandes complètes de raccordement ont été faites dans les 18 mois qui suivent ou précèdent la demande de raccordement de l'installation considérée.
Par dérogation à cette règle, les installations de propriétaire différent sont considérées comme étant toujours sur des sites distincts. Les bâtiments publics d'usage distincts sont également exemptés de cette règle. Enfin lorsque le propriétaire des bâtiments est le même et que ceux-ci sont exclusivement à usage d'habitation et structurellement distincts, on peut dans ce cas considérer les sites distincts mais le tarif qui s'applique est réduit de 10%.
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Montant du tarif
Le montant des tarifs d'achat en vigueur est détaillé ci-dessous. Dans le cas de la vente au surplus pour les installations >100 kWc, une prime est également versée au producteur sur les 5 premières années de production. Son montant dépend de la puissance installée.
Une prime à l'intégration paysagère peut également être versée pour les installations assurant l'étanchéité et respectant divers critères précisés dans l'arrêté du 6 octobre 2021.
Notons enfin que les installations comprises entre 100 et 500 kWc bénéficient du même tarif d'achat pour la vente totale et la vente au surplus, mais que ce dernier est plafonné à un volume de production annuelle égal à 1100 heures x la puissance crête de l'installation.
