Les cellules solaires sont des dispositifs non mécaniques qui utilisent des semi-conducteurs pour convertir directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque. On pourrait intuitivement penser que les cellules solaires fonctionnent de manière optimale sous un fort ensoleillement, mais est-ce vraiment le cas ?
L'humanité exploite l'énergie solaire depuis longtemps, principalement grâce à trois procédés de conversion : la conversion photovoltaïque, la conversion photothermique et la conversion photochimique. La production d'électricité photovoltaïque, qui transforme la lumière du soleil en électricité, est l'une des utilisations les plus efficaces de l'énergie solaire.
L'effet photovoltaïque a été observé pour la première fois en 1839 par le scientifique français Edmond Becquerel ; il désigne la génération d'un potentiel électrique lorsqu'un rayon lumineux frappe un semi-conducteur. Plus tard, Einstein a expliqué cet effet grâce à la théorie quantique de la lumière, ce qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1921.
Contrairement à l'effet photoélectrique, qui se produit lorsqu'un rayon lumineux frappe un conducteur unique, l'effet photovoltaïque se produit à l'interface entre deux plaques semi-conductrices. Reliées par un fil conducteur, ces plaques créent un champ électrique, permettant ainsi la circulation du courant.
Comment les cellules solaires transforment-elles la lumière du soleil en électricité ? La lumière du soleil est un rayonnement électromagnétique à large spectre. Lorsqu’elle frappe une cellule solaire, ce rayonnement peut être réfléchi, absorbé ou transmis. Seul le rayonnement absorbé est converti en énergie électrique.
Pour les semi-conducteurs à base de silicium, une énergie de 1,11 électronvolt (eV) est nécessaire pour arracher un électron à son atome. Seuls les photons dont l'énergie dépasse ce seuil peuvent générer de l'électricité. Cependant, l'énergie excédentaire des photons de haute énergie est dissipée sous forme de chaleur, contribuant à l'échauffement du panneau solaire et pouvant ainsi élever sa température au-dessus de celle de l'air ambiant.
Contrairement à une idée répandue, les cellules solaires à base de silicium préfèrent les environnements plus frais, même si elles ont besoin de lumière solaire. Lorsque les températures augmentent, les panneaux solaires produisent moins d'énergie, malgré une exposition identique au rayonnement solaire.
Les températures élevées réduisent principalement la tension en circuit ouvert (la tension lorsqu'aucun courant ne circule), tandis que le courant de court-circuit (le courant lorsque la cellule est court-circuitée) reste relativement stable. Par conséquent, les températures élevées entraînent une baisse du rendement et une réduction de la puissance de sortie.
Les cellules solaires sont généralement testées à une température standard de 25 °C (77 °F). Lorsque la température du panneau atteint 60 °C (140 °F) ou plus, sa puissance de sortie chute considérablement. Pour chaque degré d'augmentation de température, le courant de court-circuit n'augmente que de 0,04 %, tandis que la tension en circuit ouvert diminue de 0,4 %.
Même si l'efficacité diminue en été, l'abondance de lumière solaire durant cette saison permet tout de même une production d'énergie globale plus élevée qu'aux autres saisons.
Comment refroidir les panneaux solaires
Comme d'autres appareils électroniques, les panneaux solaires fonctionnent mieux par temps frais. Puisqu'ils utilisent la lumière du soleil plutôt que la chaleur pour produire de l'énergie, ils sont plus performants dans des conditions lumineuses mais fraîches.
Pour refroidir les panneaux solaires en été, faut-il installer un auvent ? Bien sûr que non ! Bloquer la lumière du soleil annulerait l’intérêt même d’un panneau solaire. Et la crème solaire ? Non plus : les barrières physiques réduiraient l’absorption de la lumière, et les produits chimiques ne permettraient pas de faire baisser la température.
Pour les panneaux solaires installés sur les toits, la ventilation naturelle est une solution efficace et économique pour les refroidir. En ménageant un espace entre les panneaux et le toit, l'air circule et contribue à leur refroidissement. Il est cependant essentiel d'empêcher les feuilles et les débris de s'accumuler dans cet espace afin de maintenir une bonne ventilation et d'éviter toute surchauffe.
Les chercheurs ont également étudié différentes méthodes de refroidissement pour améliorer le rendement des panneaux solaires. Outre la ventilation naturelle, le refroidissement par air forcé et le refroidissement photovoltaïque-thermique (PVT) ont été explorés, offrant des perspectives précieuses pour abaisser la température des panneaux et augmenter la production d'énergie.
À mesure que les cellules solaires, messagères de l'énergie propre, continuent de s'intégrer à nos vies, elles apportent avec elles une nouvelle vague de solutions à faible émission de carbone et respectueuses de l'environnement.
