Quelle est la composition des panneaux solaires ?

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Quels sont les composants d'un panneau solaire ?

Le panneau solaire se compose, d'un côté, d'éléments qui forment sa structure et, de l'autre côté, de matériaux permettant de produire l'électricité. 

Je vous propose de regarder en détail les éléments qu’on retrouve dans le processus de fabrication des panneaux solaires.

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Les éléments qui composent la structure du panneau photovoltaïque

Pour pouvoir être posé sur votre toiture sans risquer de s'abîmer avec le temps, le panneau solaire doit être assez résistant. C'est pour cela qu'il possède un châssis métallique solide. 

Celui-ci assure la stabilité du panneau en lui-même, mais évite surtout les effets de torsion qui pourraient le casser. Il est généralement fabriqué en aluminium, un matériau robuste qui s'intègre à tout type de toit.

La surface externe du panneau photovoltaïque se compose de verre trempé qui résiste à la grêle, aux intempéries et aux chocs thermiques. Pour des raisons techniques, celui-ci peut être recouvert d'un traitement anti-reflet. 

Parfois, le verre est remplacé par du plexiglas ou du polycarbonate, mais ces éléments ont l'inconvénient de jaunir dans le temps. Bien qu'ils soient plus légers, ils risquent de réduire les performances du panneau solaire à moyen et long terme.

Sous cette première couche, on retrouve une feuille de plastique souple et légère en EVA. Le même type de feuille est présent sous les cellules photovoltaïques dont je vais vous parler dans quelques instants. Les cellules sont prises en sandwich entre les deux feuilles d'EVA qui les isolent des chocs et de l'humidité. Elles les protègent aussi de l'oxydation, du développement de moisissures à leur surface et des poussières. 

Parlons maintenant des cellules !

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Les cellules photovoltaïques

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Le fonctionnement du panneau photovoltaïque se base sur la présence de cellules constituées de matériaux semi-conducteurs. Dans 90 % des cas, il s'agit de silicium pur. Celui-ci est un métalloïde, c’est-à-dire un matériau à mi-chemin entre un élément métallique et un composant non-métallique. 

Selon la façon dont il est traité, les cellules peuvent être formées de silicium monocristallin ou polycristallin.

Il peut être remplacé par du tellurure de cadmium ou de l'arséniure de gallium. 

Les autres éléments pouvant être utilisés dans la composition des cellules photovoltaïques sont des mélanges à base de cuivre, indium, sélénium, gallium, etc. Que cela soit pour des raisons techniques ou financières, ces éléments ne sont pas les plus utilisés.

Pour pouvoir produire de l'électricité, les panneaux photovoltaïques sont constitués de deux couches de cellules. Sur la couche supérieure, les fabricants ajoutent du phosphore pour qu'elle soit chargée négativement. Sur la couche inférieure, ils ajoutent du bore pour que celle-ci soit chargée positivement. C'est ce que l'on appelle le dopage, une technique qui favorise l'effet photovoltaïque. 

Sous les cellules, se trouve le dos du panneau solaire qui a lui aussi son importance.

Le dos du panneau solaire

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L'arrière du panneau solaire forme un support rigide pour les cellules photovoltaïques et les éléments qui les protègent. Il est constitué d'un matériau polymère, c’est-à-dire de matière plastique.

Dans l'avenir, des panneaux bifaciaux vont voir le jour. Ils permettront alors d'exploiter la lumière réfléchie par les surfaces situées en dessous d'eux. Cela sera notamment intéressant pour les centrales électriques solaires disposant de panneaux posés sur un support au sol.

Maintenant, penchons-nous un peu plus sur le cœur de la plupart des panneaux photovoltaïques.

Pourquoi utilise-t-on principalement le silicium pour la composition des cellules photovoltaïques ?

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C’est le semi-conducteur le plus utilisé pour la fabrication des panneaux photovoltaïques. S'il s'est imposé face à d'autres matériaux, c'est parce qu'il possède de gros atouts. Il est notamment intéressant pour la production à grande échelle de dispositifs destinés au grand public.

Un élément abondant sur Terre

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Il est non seulement très abondant sur Terre, mais il est aussi facile d'accès. Il s'agit du deuxième élément le plus courant dans la croûte terrestre, après l'oxygène. On le retrouve, par exemple, dans le sable et on l'utilise pour fabriquer du verre. Mais, on ne le rencontre jamais à l'état pur dans la nature. Seuls des composés en contenant peuvent être extraits du sol : silice, dioxyde de silicium, silicates, etc. 

Il s'agit d'un matériau bien connu, et depuis longtemps

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Le silicium est utilisé dans le domaine électronique depuis longtemps. Son usage était déjà courant avant l'émergence de la technologie photovoltaïque. Il est notamment à l'origine du développement des circuits intégrés ou des transistors. Ses propriétés sont donc parfaitement connues, ce qui permet de mettre en œuvre des procédés de fabrication rapides et efficaces.

Son rendement est très satisfaisant compte tenu de sa facilité d'obtention

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Les semi-conducteurs ont la capacité de convertir les photons émis par le soleil en énergie. Le silicium n'est pas le matériau le plus performant dans ce domaine, mais il est relativement efficace. De plus, il est assez facile de traiter les composés qui en contiennent afin d'obtenir du silicium pur. Sa facilité d'extraction et son abondance en font donc un bon compromis pour la production industrielle. 

Mais il pourrait bientôt être remplacé par une nouvelle matière.

Les cristaux de pérovskites : de nouveaux composants pour remplacer le silicium ?

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Encore peu connues du grand public, mais étudiées dans le monde entier, les pérovskites pourraient bien révolutionner l'univers du solaire.

Que sont les pérovskites ?

Les pérovskites sont des cristaux constitués de différents éléments chimiques, comme le calcium, le titane et l'oxygène, par exemple. Elles ont été découvertes en 1839 dans l'Oural, par le minéralogiste Lev Perovski, d'où leur nom. Ce type de cristal agit aussi comme un matériau semi-conducteur.

La supériorité des pérovskites sur le silicium

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L'atout principal des pérovskites par rapport au silicium est leur coût de production bien plus faible. Pour produire du silicium pur, il faut d'abord l'extraire d'un élément qui en contient. Or, cette opération est coûteuse et consomme énormément d'énergie, pesant lourdement sur le bilan carbone de la cellule photovoltaïque. Un comble, pour un matériau censé favoriser la protection de l'environnement !

La conception des cellules à base de pérovskites coûte, quant à elle, bien moins cher. Les plus récentes affichent un rendement proche de celui des cellules au silicium. Mais il y a un hic ! Les cellules entièrement composées de pérovskites sont fragiles et ne résistent pas plus de quelques heures. Les chercheurs tentent donc de trouver des moyens de protection efficaces et ont obtenu des résultats prometteurs. Affaire à suivre !

En attendant la cellule 100 % en pérovskite…

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D'ici peu de temps, des panneaux photovoltaïques combinant silicium et pérovskites devraient apparaître sur le marché. L'alliance des deux matières permettra à long terme de réduire le coût du dispositif, mais aussi de booster ses performances. Aujourd'hui, les panneaux 100 % silicium les plus performants atteignent un rendement de 30 %. Les panneaux silicium-pérovskite devraient permettre d'accroître la production électrique de 33 %.

Cependant, le panneau photovoltaïque n'est pas le seul type de panneau solaire présent sur le marché.

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Autres technologies : la composition des panneaux solaires thermiques et hybrides

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Le panneau solaire thermique exploite une autre technologie que l'effet photovoltaïque pour produire de l'énergie à partir des rayons du soleil. Il est donc composé d'autres éléments.

La structure du panneau solaire thermique

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Tout comme le panneau photovoltaïque, le capteur solaire thermique se compose d'éléments structurels de base :

-          un châssis métallique lui conférant rigidité et solidité,

-          une surface en verre trempé anti-reflet (certains modèles ne possèdent pas cette partie),

-          des matériaux isolants permettant de conserver la chaleur captée 
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Les éléments qui permettent de produire de l'énergie

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Le panneau solaire thermique n'est pas destiné à la production d'électricité. Se rapprochant du fonctionnement de la pompe à chaleur air/eau, il transmet les calories apportées par le rayonnement solaire à un fluide caloporteur. Celui-ci permet de réchauffer l'eau qui circule dans un circuit de chauffage, un plancher chauffant ou un ballon d'eau chaude.

En-dehors des éléments structurels, il est donc constitué de plusieurs tuyaux, ou tubes, en cuivre qui renferment ce liquide caloporteur. Une plaque métallique noire située au-dessus ou dans les tubes se charge de leur transmettre la chaleur captée. L'eau qui sera envoyée plus tard dans le circuit de chauffage est quant à elle contenue dans un ballon de stockage.

Le panneau solaire hybride : à mi-chemin entre panneau photovoltaïque et thermique

Le panneau solaire hybride, ou capteur solaire mixte, combine la technologie photovoltaïque et thermique. Ces panneaux-là sont capables de produire à la fois de l'électricité et de la chaleur transmissible à un circuit d'eau. En-dehors des éléments qui forment leur structure, ils possèdent donc des cellules photovoltaïques sur leur face supérieure.

De son côté, la face inférieure est pourvue de capteurs thermiques qui transfèrent la chaleur vers un fluide caloporteur. Comme pour le capteur solaire thermique, l'eau est stockée dans un ballon avant d'être envoyée dans le circuit de chauffage.

Maintenant que vous savez ce qui compose un panneau solaire, parlons de sa durabilité.

Quelle est la durée de vie du panneau solaire et des éléments qui le constituent ?

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La plupart des fabricants garantissent que leurs panneaux photovoltaïques dureront jusqu'à 30 ans. Ce chiffre est tout à fait crédible, mais il faut savoir que la production d'énergie va diminuer dans le temps. Cela est dû à l'usure naturelle des composants. Par exemple, la surface vitrée a tendance à se craqueler ou à se rayer, réduisant les performances énergétiques.

Question durabilité, ce n'est pas tellement le panneau solaire en lui-même qui pose problème. L'onduleur qui lui est lié est une pièce indispensable, mais qui s'use relativement vite. Si vous investissez dans des panneaux photovoltaïques, il faudra prévoir de le changer à peu près tous les dix ans. En son absence, votre installation ne pourra plus générer d'électricité.

Bien que le panneau solaire soit durable, il n'est pas éternel. Mais que deviennent ses composants lorsqu'il n'est plus utilisable ? Bonne question !

Les composants des panneaux solaires, sont-ils recyclables ?

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L'électricité solaire est une énergie verte. À ce titre, elle est considérée comme écologique. Mais les panneaux utilisés pour la produire sont-ils eux aussi respectueux de l'environnement ?

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Plus de 90 % des composants du panneau photovoltaïque peuvent être recyclés

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En plus d'être durables, les matériaux qui composent le panneau photovoltaïque peuvent pratiquement tous être recyclés. En France, c'est l'éco-organisme PV Cycle qui est chargé d’organiser la récupération et le traitement des panneaux photovoltaïques usagés. Depuis 2012, les fabricants de panneaux solaires sont tenus de financer la collecte et le recyclage de leurs produits.

L'aluminium, le verre et le plastique qui forment la structure principale du dispositif peuvent facilement être récupérés, traités et finalement recyclés. Ils sont ensuite réutilisés dans de nouveaux panneaux solaires ou d'autres équipements. Les semi-conducteurs peuvent eux aussi être triés et traités de manière à être intégrés à de nouvelles cellules solaires. Au total, près de 95 % d'un module photovoltaïque est recyclable !

À noter : quel que soit le moment où vous vous en débarrassez, l'onduleur de votre installation solaire doit lui aussi être recyclé. Comme pour les panneaux en eux-mêmes, les fabricants sont tenus de financer sa collecte et son traitement.

Et pour ce qui n'est pas recyclé ?

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Les 5 % de matières non recyclées restantes sont en fait des poussières issues du broyage des matériaux. Emprisonnées dans les filtres des équipements employés lors de l'opération, elles sont parfois réutilisées autrement. On peut, par exemple, s'en servir comme combustible ou comme matériau de construction. En théorie, c'est donc bien 100 % du panneau photovoltaïque qui est recyclable !

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Qui s'occupe du retrait des panneaux lors du démantèlement ?

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Si le recyclage en tant que tel est géré par le fabricant de vos panneaux solaires, leur dépose, elle, vous revient. Il faudra donc vous en charger vous-même si vous vous en sentez capable.

Si ce n'est pas le cas, faites appel à un professionnel pour les démanteler. L'intervention d'un spécialiste du solaire ou d'un couvreur sera nécessaire s'il faut refaire la toiture ou remplacer les panneaux.

Et voilà, vous savez désormais tout ce qu'il y a à connaître sur les composants du panneau solaire et leur recyclage !

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