Un panneau solaire monocristallin est fabriqué à partir d’un seul bloc de silice. Il est de couleur sombre, noir, ou noir gris. Il est souvent recouvert d’une plaque en verre. Les cellules sont encapsulées dans un revêtement étanche. Il les protège de l’eau et de la vapeur d’eau. Il est relié à un onduleur. Celui-ci a pour fonction de transformer la tension de sortie en tension alternative.
Pour leur fabrication, les cellules qui le composent subissent un traitement appelé dopage. Celui-ci est réalisé grâce au bore, il est dit de type P. C’est un procédé de transformation des cellules. Celles-ci peuvent ainsi capter les électrons des rayons du soleil.
Le rendement du panneau dit monocristallin est compris entre 16 et 20 %. Celui-ci varie en fonction de plusieurs facteurs. L’inclinaison, l’orientation, la propreté ont une influence. Par rapport au panneau polycristallin, il est plus cher, mais son rendement est meilleur. Il existe des panneaux à haut rendement (21 à 24 %).
1. Qu’est ce qu’un panneau solaire photovoltaïque monocristallin ?
Quand le panneau provient d’un seul et même bloc de silicium, il est monocristallin. Mais approfondissons un peu. C’est un dispositif destiné à la production d’énergie consommable. Il utilise les radiations solaires pour les transformer en électricité. Il se présente souvent sous la forme d’une dalle rigide. Celle-ci peut être de plusieurs dimensions. Les tensions et les puissances de sortie varient selon les modèles.
Les panneaux monocristallins sont composés de cellules monocristallines. Celles-ci sont elles-mêmes composées de cristaux de silicium purs. Les cellules photovoltaïques sont tirées du même cristal de silicium. Elles sont donc homogènes. Le silicium est un élément très abondant sur terre. C’est un semi-conducteur très utilisé en électronique. Les cristaux de silicium sont cubiques, de couleur gris-noir, avec des reflets bleutés.
Quel est l’avantage technique de ces panneaux photovoltaïques ? Ils ont un meilleur rendement que les panneaux solaires polycristallins. Ils sont donc conseillés dans les régions à faible ensoleillement.
Le panneau solaire monocristallin permet une production d’électricité de courant continu. Pour qu’elle soit utilisable en usage domestique, elle doit subir une transformation. Cette opération est assurée par un appareil nommé onduleur. Il transforme le courant continu en courant alternatif.
Comme la plupart des panneaux solaires, il est habillé d’une coque. Ses composants doivent être protégés de l’eau et de la vapeur d’eau. Les cellules sont protégées en partie supérieure par un plateau de verre. Elles sont encapsulées dans un matériau tel que l’EVA. C’est un acétate de vinyle éthyle. La face arrière est composée d’une matière à faible résistance thermique. Le tedlar est très souvent utilisé.
2. Comment reconnaître les panneaux solaire photovoltaïque monocristallins ?
Du fait de la structuration homogène de sa composition, l’aspect est souvent monochrome. La couleur noire est prédominante pour ce type d’installation photovoltaïque. L’épaisseur du panneau est variable. Elle dépend du matériau employé pour le cadre support. On trouve des panneaux en aluminium ou en polycarbonate. Les découpes les plus courantes sont les formes carrées ou rectangulaires.
Les cellules photovoltaïques peuvent également être recouvertes par du PET. Pour cette dernière (PolyEthylene Terephathalate), les formes peuvent être très variées. Ce type de production d’énergie est souvent utilisé dans les régions peu ensoleillées. La zone d’implantation est donc ce qui permet de le reconnaître facilement. Les panneaux installés dans les régions très ensoleillées sont des panneaux polycristallins. Ils ont souvent des reflets bleutés très prononcés.
Le prix est autre critère de différenciation. Le panneau monocrystallin est plus cher que son cousin, le panneau polycristallin. Cette différence de prix est due à son mode de fabrication de la cellule différent et plus couteux. La technique de fabrication est également différente. Ce qui explique en partie l’écart de tarif à l’achat.
Toutefois, les méthodes de production de panneau polycristallin et monocristallin convergent. C’est pourquoi il est de plus en plus difficile de les différencier. Le succès de ce mode de production d’électricité permet des économies d’échelles. Elles permettent une R&D importante et la rentabilité des installations de production. Leur modernisation est propre à ce que les techniques de fabrication se rapprochent.
Le déclin des prix est également dû à l’efficacité croissante des cellules solaires. La densité d’énergie produite par une cellule est plus importante alors que le format de la cellule est globalement resté le même, il y a donc moins de cellule dans un panneau, ce qui abaisse son coût de fabrication. Les améliorations apportées aux technologies de fabrication, les économies d’échelle et la concurrence intense qui entraîne une surproduction de modules solaires sont d’autres facteurs.
3. Fonctionnement des panneaux solaires monocristallins
Le fonctionnement d’un panneau solaire photovoltaïque monocristallin est simple. C’est le même que tous les panneaux solaires photovoltaïques. La surface du panneau tout entier expose les cellules solaires à la lumière. Celles-ci captent les radiations solaires pour les transformer en énergie. Techniquement, ces cellules fonctionnent comme de petits générateurs de courant.
Entre ces deux étapes extrêmes, des phases intermédiaires existent. La première est celle de l’effet photovoltaïque. Les photons transportés par les radiations solaires viennent percuter les cellules du panneau. Ils transmettent leur énergie aux électrons contenus dans chaque cristal de silicium. Celui-ci, appelé aussi photopile, est relié à un circuit électrique. Il est pris au piège entre deux électrodes. Dans le cas des petits panneaux PET, celles-ci vont alors servir de pont de transmission des électrons à un circuit imprimé.
Ce circuit imprimé va transmettre le courant électrique continu ainsi créé à un onduleur. Celui-ci a pour fonction de transformer le courant continu en courant alternatif. C’est ce courant alternatif qui est directement consommable ou revendable. Les tensions de sorties sont différentes suivant les tailles de panneau. Les puissances sont également différentes.
4. Fabrication des cellules monocristallines
Les procédés de fabrication ne mènent pas tous aux mêmes qualités. Certains fabricants ont des cellules plus productives que d’autres. Toutefois, le principe est identique. La matière première utilisée est le silice ou le quartz. Elle est d’abord extraite du sol, puis purifiée pour atteindre la qualité métallurgique. Ensuite, elle est transformée en composé chimique pour atteindre une pureté photovoltaïque.
Cette matière est fondue à très haute température. C’est l’étape de création primaire. Des lingots sont alors produits et sortent en bout de chaîne. C’est l’étape secondaire du processus. Chaque lingot de cellules monocristal sera ensuite découpé en fines tranches. C’est l’étape tertiaire, appelée création du Wafer. Ces tranches ont une épaisseur de quelques centaines de micromètres. Elles subissent un dopage, traitement qui leur permet de devenir photovoltaïques.
Ce traitement consiste à y introduire des impuretés de façon contrôlée. On parle de dopage P ou N. Le wafer est soumis à un traitement, le dopage, généralement par diffusion, qui permet la création sur une même plaque (ou wafer) de la jonction PN. Les photons des radiations solaires sont captés puis traités. Ils génèrent un champ électrique permanent sur le panneau solaire.
Le dopage le plus courant est le dopage au bore. Il crée une cellule monocristalline de type P. Les cellules sont ensuite recouvertes d’une grille collectrice. Un conducteur est déposé en ligne sur la face de la cellule. C’est ce qui est appelé la métallisation. Ces lignes de métallisation sont ensuite reliées à des contacts électriques. La cellule monocristalline photovoltaïque est née.
5. Rendement des panneaux monocristallins
Le rendement des panneaux monocristallins va de 16 à 20 %. Il est plus élevé que celui des panneaux solaires polycristallins. Celui-ci est de 14 à 18 %. Ces valeurs signifient une seule chose. Pour le panneau mono, 16 ou 20 % de la lumière sera transformée en électricité. Le rendement d’une installation photovoltaïque varie avec leur puissance.
Celle-ci s’exprime en puissance de crête. La notation est Wc ou kWc. Cette puissance correspond à la puissance que le panneau délivre en condition optimale. Celles-ci sont établies pour un ensoleillement maximal (1000 w par m2 de panneau). Elles sont également calculées à température constante de 25°C. La surface d’exposition est inclinée de 42°, orientée sud.
L’annonce de rendement d’un panneau est l’équivalent de celui d’une consommation automobile. Les conditions de mesure ne trouvent pas d’équivalent dans la réalité. En vrai, le rendement sera toujours inférieur à celui annoncé par le fabricant.
Il varie avec la localisation, l’orientation, l’inclinaison, la maintenance. Par exemple une orientation Est, une inclinaison à 60°, réduit de 22 % le rendement. Le rendement est également lié à la qualité des cellules qui composent le panneau. La qualité de la couche antireflet appliquée sur la face avant est aussi déterminante. Elle peut réduire de 5 % les pertes de lumière par incidence.
Le rendement du monocristal est meilleur que celui du panneau solaire polycristallin. Du fait de sa constitution, la production démarre plus tôt dans la journée. Elle s’arrête plus tard. De plus, la tension produite, à ensoleillement égal, est plus élevée. Le calcul est simple : pour une petite surface, le monocristal est conseillé. Il sera plus productif.
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Panneau photovoltaïque monocristallin à haut rendement
La technologie haut rendement permet d’atteindre un taux de 24 %. Le panneau traite mieux et plus efficacement tout le spectre de la lumière. Pour aboutir à ce niveau de rendement, toute la chaîne de production est améliorée. La purification du silicium est améliorée. La qualité du silicium des lingots produits est meilleure. Les cellules ont un rendement de conversion plus élevé. La découpe des wafers est plus précise. L’interconnexion des cellules est améliorée, les soudures évitées.
Les recherches ont pour but de réduire au maximum les pertes de courant. La technologie la plus connue est le PERC. La signification de cet acronyme est Passivated Emitter and Rear Cell. On la trouve aussi sous les acronymes PERL, PERT et PERF. Les chercheurs ont travaillé sur la capture de la lumière.
La couche de passivation (Passivated Emitter) augmente l’efficacité de trois manières :
– en rendant le flux d’électrons plus régulier et plus constant, produisant ainsi un courant électrique supplémentaire.
– en réfléchissant la lumière non absorbée vers la cellule solaire pour une deuxième tentative d’absorption afin de produire de l’énergie supplémentaire rendant les cellules plus efficaces.
– en réfléchissant des longueurs d’onde spécifiques qui produisent normalement de la chaleur hors de la cellule solaire pour maintenir la température de la cellule solaire.
Panneau photovoltaïque monocristallin flexible
Ce type de panneau est composé de cellules monocristallines appelé « back contact ». Leur épaisseur est la même que pour les panneaux classiques. Leur système de connexion électrique sur l’arrière de la cellule augmente la flexibilité. L’avantage est de pouvoir installer les panneaux n’importe où. Les surfaces de pose peuvent être arrondies, en creux. Leur courbure peut atteindre 60°. La mobilité est également assurée, le panneau flexible est facile à transporter. Enfin, le poids, il est nettement plus faible qu’un panneau rigide.
L’inconvénient est un rendement inférieur. Il est de l’ordre de 11 à 13 %. Pour produire une puissance équivalente à celles des panneaux polycristallins ou mono, une plus grande surface d’exposition est nécessaire. Ils sont indiqués pour produire une électricité légère, de faible puissance. Ils sont très utilisés pour alimenter les appareils électroniques nomades.
6. Utilisation des panneaux solaires monocristallins
Les applications du panneau solaire sont extrêmement nombreuses. Dans certaines situations spécifiques, leur implantation est l’unique solution. Elle est plus économique qu’un raccordement au réseau électrique.
Dans les zones très isolées, ils alimentent les équipements de mesure. Ce sont souvent des équipements de surveillance liés à l’environnement. Ils servent à mesurer la qualité des cours d’eau et leur niveau. Ils peuvent également être des capteurs de températures, de force du vent. Les émetteurs de signaux permanents d’orientation ont aussi besoin d’énergie. Les balises GPS, les bouées maritimes en font partie.
Ils permettent également d’alimenter un dispositif électronique de surveillance de sites isolés. Ils produisent également une alimentation électrique de secours. Les systèmes d’alarme et détection ne peuvent se passer d’énergie.
L’urbanisme en bénéficie de plus en plus. En particulier les bornes d’informations sur les arrêts de bus. Ceux-ci sont parfois isolés. Leur raccordement au réseau est une charge importante pour les collectivités.
Les équipements lumineux leds de signalisation de sol et d’éclairage sont peu consommateurs. La signalisation d’aéroport, les enseignes lumineuses sont une petite partie des applications possibles. Elles peuvent être alimentées avec la technologie solaire photovoltaïque.
L’équipement de la maison également embarque de plus en plus les panneaux solaires. Les pergolas bioclimatiques en sont une parfaite illustration. Elles offrent des systèmes d’éclairages à leds. Certains modèles fournissent des bonnes de chargement pour smartphones.
Les contrôles d’accès, portails électriques sont équipés de panneaux solaires. C’est la fin des tranchées à creuser. L’alimentation électrique est fournie par les modules solaires monocristallins.
7. Durée de vie d’un panneau monocristallin
La durée de vie des Panneaux solaires mono ou poly dépend de la construction. Un Panneau avec verre tedlar et cadre aura une durée de vie de 25 ans. Un petit panneau solaire sur circuit imprimé recouvert de PET durera quant à lui 5 à 10 ans.
Le rendement du panneau monocristalin baisse de 0,8 à 1 % chaque année. Le rendement à 100 % est garanti la première décennie. Ils fournissent 90 % de leur puissance la deuxième décennie. C’est un dispositif de production d’énergie statique. À ce titre, il ne s’use pas. Mais sa maintenance est toutefois nécessaire pour qu’il conserve sa qualité de production.
L’accumulation de poussières et salissures est un facteur majeur de perte de rendement. Celle-ci se situe entre 3 et 16 % si le panneau est mal entretenu. Les conditions climatiques extrêmes peuvent raccourcir sa durée de vie. La grêle, la neige, les orages récurrents en sont les principales causes.
Toutefois, l’organe le plus fragile reste l’onduleur. Il a une durée de vie plus courte, entre 8 et 12 ans. Son installation dans un local aéré, sans humidité, propre, prolonge sa durée de vie. En réalité, la technologie est récente. Un manque de recul empêche de pouvoir réellement mesurer leur durée de vie. Certains experts évaluent en réalité la durée de vie à 40 ans.
Cette durée de vie dépend principalement de la façon dont le panneau est posé. Attention, ne confondez pas la durée de vie avec celle de la garantie constructeur. Celle-ci est donnée pour 25 ans. Cela ne signifie pas que le panneau se détériore après cette durée. Les modules solaires continueront de fonctionner. Mais leur performance et leur rendement seront moins élevés.
8. Recyclage des panneaux solaires photovoltaïques
Les panneaux photovoltaique monocristallin en fin de vie doivent être démontés. Cela peut être en fin de période de vie prévue par le fabricant. Mais parfois, la mauvaise qualité peut faire survenir la fin de vie plus rapidement. Les signes annonciateurs de cette nécessité de changement sont simples.
La productivité d’abord : elle baisse, le panneau ne fournit plus la puissance attendue. Cette baisse de productivité peut avoir plusieurs causes. La rupture des contacts électriques en fait partie. Leur oxydation également, qui crée de la résistance au passage du courant électrique. L’aspect ensuite, à surveiller. Des craquelures sur la surface sont le signe qu’il faut le changer.
Mais que faire des panneaux en fin de vie ? Leurs détracteurs font courir la rumeur suivante : leur recyclage est problématique. Ils communiquent sur les futurs problèmes de recyclages de quantités importantes de panneaux. Rien de tout cela n’est vrai. Leur recyclage est aujourd’hui parfaitement maîtrisé. Par exemple l’éco-organisme pour la collecte et le recyclage des panneaux solaires photovoltaïques PV-Cycle atteint des taux de valorisation de presque 95%.
Un panneau est composé de plusieurs matériaux qui peuvent être recyclés. L’ossature (aluminium) et le plateau (en verre) sont des matériaux recyclables. Les cellules, le tedlar, l’EVA, les connectiques (cuivre ou argent) le sont également.
Comme tout process de retraitement, plusieurs technologies sont employées. Le traitement thermique est appliqué en premier. Il consiste à brûler les plastiques de l’encapsulant pour extraire les cellules photopiles. Un traitement chimique permet ensuite de séparer les contacts métalliques des cellules solaires. Celles-ci pourront alors subir une fonte pour être intégrées à un lingot.
Une autre façon de procéder est le traitement par broyage. L’ensemble d’un panneau débarrassé de son cadre est broyé, puis différents traitements chimiques ou mécaniques sont utilisés pour séparer des fractions homogènes. Cette méthode est utilisée en France par PV Cycle.
9. Prix des panneaux photovoltaïques monocristallins
Le panneau solaire monocristallin est plus cher que le panneau poly cristallin. Son prix, comme celui des autres technologies, dépend de plusieurs facteurs. La puissance qu’il fournit est primordiale. C’est l’un des facteurs qui influencent le plus le prix. Son rendement entre aussi en ligne de compte.
La qualité des connectiques, de l’onduleur sont d’autres facteurs impactants. Ils font partie des éléments qui font fluctuer le prix. La finition esthétique est aussi un facteur de coûts supplémentaires. Tedlar de couleur, masquage des connexions électriques, formes particulières, cadre de couleur assorti à la couleur du tedlar sont autant d’options qui influent sur le montant final.
Pour les systèmes autonomes ou « off-grid », la distribution des « derniers mètres » est l’un des facteurs de valeur les plus importants. Soit l’énergie du réseau électrique est disponible à moindre coût et la solution solaire n’est pas justifié, soit le coût de raccordement au réseau est élevé (coût d’une tranchée dans le sol pour passer des câbles, main d’œuvre…) et le coût acquisition et d’usage du système photovoltaïque complet est très avantageux.
L’écart de prix entre le panneau mono cristallin et poly cristallin est important. Les puissances faibles connaissent également des écarts de prix. Un panneau mono de 100 wc et 12 v de tension est vendu 110 euros. La même technologie, mais à haut rendement sera vendue 180 euros. Le panneau poly de même puissance et tension sera vendu 90 euros.
En ce qui concerne le coût d’un système (comprenant le panneau, le régulateur, la batterie, les câbles…) en fonction de la puissance du panneau solaire, il est possible de fournir quelques chiffres :
Affichage, signalisation ou éclairage et communication fréquente des données : panneau solaire 150~200W ; soit 400-700€/système
Affichage, signalisation ou éclairage intermittent : 50~150W ; 150-400€/système
Collecte de données et transmission intermittente 1~2 fois/heure : 20~50W 100-150€/système
Petit mécanisme fonctionnant par intermittence 1~2 fois/jour (volet, portail..) 5~50W ; 50-150€/système
Collecte de données et transmission intermittente 1~2 fois/jour : 1-10W ; 50-90€/système
10. Différence entre un panneau solaire polycristallin et monocristallin
Les différences entre les cellules polycristallines et les cellules mono cristallines sont nombreuses. Celles-ci entrent dans la composition des panneaux solaires éponymes.
La fabrication n’est pas la même. Les wafers – tranches – sont découpées à partir de lingots de silicium de qualité photovoltaïque. Les cellules constituent ces tranches. Si elles proviennent d’un seul et même lingot, on parle de panneau monocristalin. Si elles proviennent de lingots différents, on parle de cellules polycristallines ou panneau polycristallin .
Le rendement n’est pas le même. Il est de 16 à 20 % pour le panneau mono. Le panneau polycristallin a un rendement compris entre 14 et 18 %. Sa durée de vie serait également légèrement inférieure.
Leur aspect est également différent. Le panneau monocristallin est noir ou gris foncé, la couleur est uniforme. Son esthétique est plus discrète. Le panneau polycristallin est plutôt bleuté, aux reflets de différentes teintes.
Leur productivité est également variable selon leur zone d’implantation. Le panneau polycristallin est préféré dans les secteurs très ensoleillés. Son coefficient de température est plus bas. En revanche, le monocristallin sera installé dans les régions tempérées. Il est plus productif à basse température et en lumière diffuse. Par conséquent, dans les régions nuageuses, la plage horaire de production est plus large. Il se prête aussi très bien aux installations à faible pente.
Le panneau monocristallin est plus gourmand en énergie pour sa production. Son empreinte carbone est donc plus importante. Mais compte tenu de son meilleur rendement (+3%), il compensera plus rapidement. On estime à 2 ans le temps de restitution de l’électricité qui aura servi pour sa production.
