Panneaux photovoltaïques

Le panneau photovoltaïque est un transducteur à part dans l'électronique : au lieu de consommer de l'énergie, il en produit, en transformant la lumière du Soleil en courant continu, sans pièce mobile et sans réaction chimique. Cette page suit le chemin des photons : la jonction PN de silicium — la même que celle des diodes, mais exploitée dans l'autre sens —, la courbe I-V et son genou, la logique du watt-crête, et le suivi MPPT qui règle la mise au point de puissance maximale.

1. C'est quoi ?

Une cellule photovoltaïque (en anglais solar cell, la discipline s'appelle photovoltaics) est un semi-conducteur de grande surface qui convertit la lumière en électricité. Une cellule est très exactement une diode de grande surface : même silicium dopé, même jonction PN que la diode de la couche 2 ; la seule différence est le sens d'exploitation. La LED injecte un courant dans la jonction et en émet des photons ; la cellule photovoltaïque reçoit des photons et en tire un courant. Deux jonctions jumelles, une seule physique, lue dans les deux sens.

L'objet est une galette de silicium de 156 mm de côté (15,6 cm), aussi fine qu'une feuille de carton (environ 0,2 mm), teintée d'un bleu sombre parcouru de fines lignes d'argent : les doigts et les busbars, qui collectent le courant. Sous plein éclairage (1 000 W/m²), une cellule isolée ne promet que 0,60 à 0,72 V — une tension fixée par le matériau, presque indépendante de sa taille — mais peut débiter 5 à 7 A, proportionnels à sa surface et à l'éclairement. Pour construire une tension utilisable, on soude les cellules en série : le module, que tout le monde appelle panneau, en rassemble 36, 60 ou 72, laminées sous un verre trempé dans un cadre aluminium.

La caractéristique de vente est la puissance crête, en Wc (watt-crête) : la puissance mesurée en conditions normalisées (1 000 W/m², 25 °C, spectre de référence). Un panneau « 100 Wc » peut donc délivrer environ 100 W — ni en moyenne, ni toute la journée : la crête est une référence de comparaison, pas une promesse de production.

On croise la technologie partout où il faut de l'électricité sans ligne électrique :

• les calculatrices de bureau et les lampes de jardin, dont le petit panneau délivre déjà quelques volts ; les kits solaires de camping avec régulateur, batterie et prises USB ;
• les toits résidentiels, où des chaînes de modules alimentent la maison via un onduleur, et les grandes centrales au sol qui en recouvrent des dizaines d'hectares ;
• les installations autonomes : balises de signalisation, bornes météo, relais radio, bergeries isolées, stations de télégestion ;
• les satellites : depuis les années 1960, la quasi-totalité des satellites et sondes volent au photovoltaïque ; la Station spatiale internationale se couvre d'ailes solaires de dizaines de mètres.

2. Comment ça marche ?

La cellule commence comme une diode : une zone N dopée au phosphore (électrons en excédent), posée sur une zone P dopée au bore (trous en excédent). Au contact, les porteurs diffusent, se recombinent et laissent derrière eux une zone de déplétion peuplée d'ions fixes : un champ interne s'y installe, une barrière électrique de 0,6 à 0,7 V pour le silicium — la même physique que dans la diode. Sans lumière, cette jonction est simplement une diode bloquée : aucun courant ne circule. L'éclairage change tout.

Un photon assez énergique — dont la longueur d'onde est plus courte qu'environ 1,1 µm, la valeur correspondant à la bande interdite du silicium (1,12 eV) — arrache un électron et crée une paire électron-trou. Le champ interne les sépare avant qu'ils ne se recombinent : l'électron est poussé vers la face N, le trou vers la face P. Cette ségrégation permanente d'électrons d'un côté et de trous de l'autre fait apparaître une tension aux bornes : la face P devient le pôle positif, la face N le pôle négatif. Relie les deux faces par un fil, et les électrons reviennent de la face N vers la face P à travers le circuit extérieur : c'est le courant.

Deux grandeurs délimitent la courbe I-V, la carte de tous les points de fonctionnement du panneau. La tension de circuit ouvert Vco (0,60-0,72 V par cellule) s'obtient à courant nul ; le courant de court-circuit Icc (5-7 A pour une cellule 156 mm, linéaire en éclairement) s'obtient à tension nulle. Entre les deux : tant que la tension demandée reste faible, le courant reste quasi constant au niveau Icc — le panneau se comporte comme une source limitée en courant. En approchant de Vco, la courbe plie : c'est le genou. Au-delà, le courant s'effondre de façon exponentielle jusqu'à s'annuler exactement à Vco.

P = V × I

SchémaLa cellule photovoltaïque et sa mise en série

La mise en série suit une règle de calcul, la mise en parallèle son contraire :

Assemblage	Tension (Vco)	Courant (Icc)	Où on le croise
une cellule (156 mm)	0,60-0,72 V	5-7 A	petites dalles, capteurs, jouets
36 cellules en série (« 12 V »)	≈ 22 V	celui d'une cellule	kits autonomes, régulateurs 12 V
60 cellules en série	≈ 40 V	celui d'une cellule	toits résidentiels, onduleurs de réseau
deux modules en série	double	inchangé	chaînes d'onduleur
deux modules en parallèle	inchangé	double	régulateur limité en tension

Mnémonique : en série, les tensions s'additionnent ; en parallèle, les courants s'additionnent. Exactement comme pour les piles.

Reste le rendement. Sur la puissance lumineuse qui arrive sur la dalle, seuls 19 à 22 % ressortent en électricité sur les modules cristallins courants : les photons trop rouges (moins énergiques que la bande interdite) traversent sans rien faire ; ceux plus énergiques cèdent leur surplus en chaleur ; une partie se réfléchit, une autre se recombine en chemin. Une dalle frappée à 1 000 W/m² sort donc environ 200 W par mètre carré — le reste chauffe sous la plaque.

Enfin, la puissance extraite dépend de la charge. Sur la courbe I-V, chaque charge (résistance, batterie, convertisseur) choisit un point de fonctionnement, et certaines positions valent mieux que d'autres. La charge idéale d'un panneau 100 Wc prend environ 18 V et 5,5 A, soit une résistance apparente :

Rmp ≈ Vmp / Imp ≈ 18 V / 5,5 A ≈ 3,3 Ω

Quand le soleil baisse, Icc suit l'éclairement à la lettre tandis que Vmp ne bouge presque pas : la résistance de charge idéale double dès que l'éclairement est divisé par deux. Aucune charge fixe ne peut épouser ce trajet. Voilà le rôle du régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracking) : un convertisseur continu-continu qui tâtonne en permanence sur la courbe à la recherche du genou, en ajustant la tension qu'il renvoie côté charge.

3. Dans le vrai monde

Le marché se hiérarchise par technologie, et se facture au watt-crête :

Technologie	Rendement courant	Où on la croise	Prix indicatif
Monocristallin	19-23 %	toits, modules haut rendement	0,35-0,8 €/Wc
Polycristallin	16-18 %	gammes économiques (en disparition)	0,25-0,6 €/Wc
Couches minces (CdTe)	10-14 %	grandes centrales au sol	0,20-0,4 €/Wc
Amorphe (silicium en film)	5-8 %	calculatrices, dalles souples	1-2 €/Wc
Tandem perovskite/silicium	24-29 % (pilotes)	prototypes industriels	non commercialisé

En grosse série, un module classique s'échange autour de 0,10 à 0,20 €/Wc ; au détail, comptez 0,4 à 1 €/Wc module nu, et le double pour un kit complet (panneau, régulateur, câbles). Les prix ont été divisés par dix depuis 2010.

Les formats se standardisent : cellules de 166, 182 ou 210 mm ; modules résidentiels de 380 à plus de 600 Wc ; dalles rigides « 12 V » de 10 à 200 Wc pour le camping et le bateau ; films souples à coller sur une tente ou un toit de caravane.

Côté durée de vie : un module perd 0,4 à 0,6 % de sa puissance par an et dépasse volontiers 25 ans de service ; la norme IEC 61215 presse ces vieillissements en une année d'essais. Attention enfin au marquage : la crête est mesurée en laboratoire à 25 °C — par forte chaleur, un panneau rend 10 à 12 % de moins (coefficient de température de la puissance, environ −0,3 à −0,4 %/°C).

4. Exemple pratique

Prenons le kit autonome de base : un panneau 100 Wc « 12 V » (36 cellules), un régulateur MPPT, une batterie plomb 12 V 100 Ah. La fiche du panneau donne cinq chiffres : Vco ≈ 22 V, Vmp ≈ 18 V, Icc ≈ 6 A, Imp ≈ 5,5 A, 100 Wc. Tout se calcule à partir de là.

La courbe I-V sous les doigts

SchémaCourbe I-V du panneau 100 Wc

InteractifCourbe I-V d'un panneau 100 Wc

Ensoleillement : 1 000 W/m² — Vco ≈ 21,8 V, Icc ≈ 6,0 A.

Point MPP : V ≈ 17,85 V, I ≈ 5,53 A, P ≈ 98,63 W — soit environ 100 % du plein soleil (98,63 W).

Au genou, sur ce modèle : Vmp ≈ 0,82 × Vco et Imp ≈ 0,92 × Icc. Quand le soleil baisse, Icc chute, Vco et Vmp glissent doucement : le MPP descend et part vers la gauche, et la charge idéale doit suivre.

Ensoleillement sur la dalle : 1 000 W/m²

Modèle simplifié : I = Icc × (1 − exp((V − Vco)/Vt)) avec Vt = Vco/14. Icc est proportionnel à l'éclairement, Vco ne varie qu'au logarithme. Les petits points suivent le trajet du MPP quand l'ensoleillement passe de 100 à 1 000 W/m².

Exercice résolu — combien produit vraiment un panneau 100 Wc ?

On demande la production annuelle d'un panneau 100 Wc bien posé sur un toit français.

1. Raisonner en heures équivalentes plein soleil. On ramène l'énergie réelle reçue dans la journée à un nombre d'heures pendant lesquelles le panneau travaillerait à 1 000 W/m². Hypothèse généreuse pour un toit bien orienté plein sud : 5 h équivalentes par jour, en moyenne sur l'année.
2. Bilan brut :

100 W × 5 h × 365 j ≈ 182,5 kWh

3. Pertes réalistes : la chaleur (la tension glisse de 10 % l'été), les ombres partielles, l'encrassement, le rendement du régulateur et des câbles : comptons 15 à 20 % de chute. 182,5 kWh × 0,8 ≈ 146 kWh : retenez environ 150 kWh/an.
4. Réglage selon le toit et la région : au nord de la France, les heures équivalentes tombent vers 3 à 3,5 h par jour (donc 90 à 110 kWh/an) ; au sud, bien incliné et sans ombre, elles montent à 5,5-6 h (160 à 170 kWh/an). Règle du pouce en France : 900 à 1 700 kWh par kilowatt-crête et par an.
5. Ordre de grandeur utile : 150 kWh/an, c'est la consommation annuelle d'un réfrigérateur moderne (120 à 250 kWh). Lisez son étiquette : voilà le gabarit énergétique d'une dalle de 100 Wc.

Exercice résolu — recharger une batterie 12 V 100 Ah au mieux

On veut remonter une batterie plomb 12 V 100 Ah descendue à plat avec le même kit.

1. Énergie en jeu : la batterie stocke 100 Ah × 12 V ≈ 1 200 Wh, soit deux jours et demi de production de notre panneau (500 Wh par beau jour).
2. Courant de charge : au MPP, le panneau délivre 5,5 A sous 18 V. Le régulateur MPPT convertit la différence de tension en courant vers les environ 14 V de charge de la batterie, mais la fin de charge du plomb demande un courant décroissant : au premier ordre, comptez environ 5,5 A utiles en continu.
3. Temps de charge :

t ≈ 100 Ah / 5,5 A ≈ 18 h

4. En jours : 20 h de plein soleil, à 5 h équivalentes par jour de beau temps, font environ quatre jours pour remonter une batterie à plat. Règle du pouce : un kit de 100 Wc s'accorde à une consommation de 250 à 300 Wh par jour, pas davantage.
5. Contrôle de passage — la tension de chaîne à froid : par gel, Vco grimpe d'environ 0,3 % par degré sous la référence de 25 °C : de 22 V, comptez environ 24,5 V à −10 °C. Le régulateur doit admettre le Vco le plus froid de toute la vie de l'installation, jamais le seul Vmp de la fiche — sinon il déclenchera ou grillera au premier matin givré.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

1. Pourquoi la tension Vco d'une cellule ne dépend-elle quasiment pas de sa surface, alors que son Icc double quand la surface double ?
2. Un panneau « 18 V / 100 Wc » est branché directement sur une batterie maintenue à 13,5 V. À quoi s'établit son point de fonctionnement sur la courbe I-V ? Que perd-on par rapport au MPP ?
3. Que devient une chaîne série de 36 cellules si une seule est à l'ombre ? Pourquoi la cellule ombragée peut-elle finir en point chaud ?
4. Par grand froid, le Vco d'un panneau dépasse d'environ 12 % la valeur de la fiche (donnée à 25 °C). Pourquoi dimensionne-t-on le régulateur sur le Vco à froid plutôt que sur le Vmp de la fiche ?
5. Du matin au plein midi, l'ensoleillement passe de 250 à 1 000 W/m². Comment Icc, Vmp et la puissance du MPP évoluent-ils ? Pourquoi le MPPT doit-il retravailler sans relâche le point de fonctionnement ?

6. Pour aller plus loin

• IEC 61215 — qualification des modules au silicium cristallin (fatigue thermique, humidité, grêle, UV) : la norme derrière les 25 ans de garantie, sur le catalogue de l'IEC.
• Texas Instruments — note d'application sur les algorithmes MPPT (perturbation et observation, conductance incrémentale), sur ti.com.
• SunPower (Maxeon) — datasheets des cellules à contacts dorsaux, les plus efficaces du marché (22 % et plus), sur maxeon.com.
• JinkoSolar — datasheets des modules récents, avec courbes I-V à cinq niveaux d'éclairement et coefficients de température, sur jinkosolar.com.
• PV Education — le tutoriel de référence sur la physique de la cellule (effet photovoltaïque, courbes, température, perte par réflexion), sur pveducation.org.