Cellule photovoltaïque : technologies, rendement et applications en 2025
Compte tenu des moyens à notre disposition et des progrès techniques réalisés jusqu’à présent pour développer les énergies renouvelables, on peut affirmer sans hésiter que le solaire – et plus précisément l’énergie photovoltaïque – représente l’avenir de l’énergie. C’est en effet la solution la plus prometteuse, car elle est la plus accessible, à la fois sur le plan financier et technique. Et elle repose sur une technologie clé : la cellule photovoltaïque.
Les avancées récentes comme les cellules pérovskites et tandem, atteignant des rendements de 30% à 47%, transforment rapidement le secteur photovoltaïque. Maîtriser ces innovations est fondamental pour les professionnels souhaitant optimiser leurs investissements énergétiques tout en contribuant aux objectifs de neutralité carbone fixés pour 2050.
Que faut-il savoir sur la cellule photovoltaïque ? Comment fonctionne-t-elle ? De quoi une cellule photovoltaïque est-elle composée ? Quelles sont les innovations qui la rendent plus performante ? Et comment peut-elle répondre aux besoins industriels et environnementaux de demain ? Autant de questions auxquelles nous répondrons dans les paragraphes qui suivent.
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?
La cellule photovoltaïque est l’élément de base des panneaux solaires photovoltaïques et son invention a révolutionné la manière dont nous produisons de l’énergie. Composée de matériaux semi-conducteurs, elle capte les photons de la lumière solaire (énergie lumineuse) et les transforme en courant électrique grâce à l’effet photovoltaïque.
Plusieurs cellules assemblées forment des modules photovoltaïques. Ils peuvent être installés sur des toits, au sol ou même intégrés à des structures comme la serre solaire photovoltaïque, la volière photovoltaïque ou encore le parc ovin & parc bovin photovoltaïque qui relèvent du domaine de l’agrivoltaïsme (agriculture et photovoltaïque, élevage de volailles et photovoltaïque, agrivoltaïsme bovin et ovin, respectivement). Leur modularité et leur capacité à produire de l’énergie renouvelable en font un pilier des stratégies de transition énergétique mondiale.
Principe de fonctionnement (effet photovoltaïque)
Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque repose sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque – un cas particulier de l’effet photoélectrique. Le parcours de l’électricité propre et décarbonée débute sur la surface des panneaux.
Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule, les photons transfèrent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur. Ces électrons sont alors libérés de leur orbite, créant ainsi des paires électron-trou. Un champ électrique interne guide ces électrons vers un circuit externe, ce qui génère un courant électrique.
Ce courant est d’abord continu (DC). Il passe ensuite par un onduleur, qui le convertit en courant alternatif (AC), utilisable par les appareils électriques domestiques ou industriels. L’électricité produite peut être consommée immédiatement, stockée dans des batteries solaires ou injectée dans le réseau électrique.
Si vous souhaitez en savoir un peu plus sur les panneaux solaires photovoltaïques et leur fonctionnement, nous vous invitons à lire nos deux contenus qui traitent spécifiquement de ces sujets :
Matériaux utilisés : silicium, pérovskite et autres innovations
Comme dit plus haut, les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs, chacun ayant ses avantages et ses limites. Le silicium reste le matériau le plus utilisé, représentant plus de 90 % du marché. Il se décline en deux formes principales : le silicium monocristallin et le silicium polycristallin.
Ces dernières années, de nouveaux matériaux émergent pour repousser les limites du rendement. Les pérovskites, par exemple, offrent un potentiel énorme grâce à leur faible coût de production et leur efficacité croissante. Elles peuvent même être combinées avec du silicium dans des cellules tandem pour atteindre des rendements supérieurs à 30 %. Cependant, ce rendement n’est pas encore répercuté à l’échelle du module photovoltaïque pour l’instant.
D’autres innovations incluent les cellules à couches minces, fabriquées à partir de matériaux comme le tellurure de cadmium (CdTe) ou le cuivre-indium-gallium-sélénium (CIGS). Des technologies plus légères et flexibles qui ouvrent la voie à de nouvelles applications comme l’intégration dans des bâtiments ou des véhicules.
Nous les étudierons plus en détail dans la section suivante.
Puissance et énergie produite (kWc, kWh/an)
La performance d’une cellule photovoltaïque se mesure en termes de puissance et d’énergie produite. La puissance est exprimée en kilowatt-crête (kWc), une unité qui indique la capacité maximale de production d’électricité dans des conditions optimales de fonctionnement. Par exemple, un panneau de 1 kWc peut produire jusqu’à 1 000 watts sous un ensoleillement standard.
Cependant, la production réelle dépend de plusieurs facteurs, comme l’ensoleillement local, l’inclinaison, l’orientation des panneaux et les pertes dues à la température. En moyenne, 1 kWc installé produit entre 900 et 1 600 kWh par an en France en fonction des conditions du site.
Pour estimer la production annuelle, on multiplie la puissance installée (en kWc) par le nombre d’heures d’ensoleillement effectif.
Technologies 2025 : avantages et limites
Nous allons, dans cette partie, plonger dans l’univers des technologies qui dominent le marché actuel du photovoltaïque et explorer les innovations prometteuses qui pourraient redéfinir l’avenir de l’énergie solaire.
Cellules monocristallines
Les cellules monocristallines sont fabriquées à partir d’un unique cristal de silicium, d’où leur nom. Ce processus de fabrication leur confère un aspect homogène favorisant la circulation des électrons, ce qui explique leur haut rendement : 20 à 24%. On les reconnaît à leur teinte sombre uniforme et à leurs bords coupés en onglet.
En comparaison, les cellules polycristallines proviennent de plusieurs cristaux de silicium assemblés. Elles ont un aspect plus floconneux et une teinte bleue nuancée. Elles sont moins efficaces, leur rendement est généralement compris entre 15 et 20%.
Les cellules monocristallines offrent une meilleure production d’électricité pour une surface donnée. Elles sont principalement utilisées dans les installations résidentielles et commerciales où l’espace est limité et où un rendement élevé est requis.
Tableau comparatif des avantages et limites des deux types de cellules photovoltaïques :
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Caractéristiques |
Monocristallin |
Polycristallin |
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Rendement |
20 – 24 % |
12 – 20 % |
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Coût |
Plus cher en raison de sa meilleure performance et de sa fabrication plus complexe |
Moins cher grâce à un processus de fabrication plus simple et un rendement inférieur |
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Apparence |
Surface uniforme, couleur noire ou très sombre |
Surface à l’aspect marbré, généralement bleuâtre |
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Espace requis pour produire une puissance donnée |
Moins de surface nécessaire |
Plus de surface nécessaire |
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Durée de vie |
Légèrement plus longue (souvent +5 à +10 ans selon les conditions) |
Légèrement plus courte, mais reste généralement robuste |
Les cellules polycristallines, quant à elle, étaient une option populaire pour les installations à grande échelle en raison de leur bon rapport coût-performance il y a 2-3 ans. Aujourd’hui, les évolutions technologiques sensibles se basent sur le monocristallin.
Couches minces
Les panneaux en couches minces misent sur des films de matériaux semi-conducteurs très fins (généralement 0,5 à 3 microns). Ceux-ci sont déposés sur un substrat en verre, en métal ou en plastique.
Leur principal avantage réside dans leur flexibilité, leur capacité à produire de l’énergie même par faible luminosité et leur faible coût de production, car ils demandent moins de matière première que les cellules en silicium cristallin. Leur inconvénient majeur, c’est leur faible rendement.
Plusieurs technologies coexistent sous l’appellation « couches minces » :
- Le silicium amorphe (a-Si), abordable, mais dont le rendement oscille entre 6 et 9 %.
- Bien que certaines cellules CIGS puissent atteindre près de 20 % de rendement en laboratoire, les modules commerciaux offrent généralement des performances comprises entre 12 et 16 % en raison des contraintes de fabrication.
- Le CdTe (tellurure de cadmium), avec un rendement autour de 17 %, mais soulevant des questions environnementales liées à la toxicité du cadmium.
- Le GaAs (arséniure de gallium), réservé à des usages de pointe (spatial) grâce à un rendement pouvant frôler les 40 %, au prix d’une grande complexité de fabrication.
Malgré leur puissance plus modeste, ces cellules photovoltaïques en couches minces brillent par leur adaptabilité. Elles s’installent facilement sur des surfaces courbées ou sur des structures légères (véhicules ou autres). Leur résistance aux températures élevées joue aussi en leur faveur, surtout dans les régions à climat chaud où la performance des cellules cristallines peut baisser.
Pérovskites
Les panneaux photovoltaïques à base de pérovskite s’annoncent comme la possible révolution du solaire. La pérovskite est un cristal à structure particulière apprécié pour son excellente capacité à absorber la lumière. En conditions de laboratoire, le rendement des cellules pérovskites se situe généralement autour de 27 %, ce qui reste très compétitif par rapport au silicium, même si atteindre 30 % demeure rare.
Contrairement aux procédés classiques, la pérovskite se dépose sous forme d’encre sur un substrat, avant de se cristalliser. La fabrication est donc plus simple et moins coûteuse que celle des cellules en silicium, car elle exige moins de température et moins de précision dans le contrôle des procédés. Cette technologie n’est cependant pas encore extrapolable à grande échelle. Les chercheurs doivent résoudre certains points :
- La sensibilité aux conditions extérieures (chaleur, humidité) qui peut altérer la durée de vie des panneaux.
- La toxicité potentielle de certains composants, comme le plomb.
Malgré ces défis, la pérovskite suscite un fort engouement puisqu’elle pourrait permettre de produire plus d’électricité sur une même surface, tout en réduisant les coûts.
Cellules tandem
Les cellules tandem représentent l’une des innovations les plus prometteuses dans le domaine du photovoltaïque. Elles combinent plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium et les pérovskites, pour capter un spectre plus large de lumière solaire.
Rendement et rentabilité en milieu professionnel
Le rendement et la rentabilité sont deux critères essentiels pour évaluer la performance d’une installation photovoltaïque. Que vous soyez un professionnel du secteur ou un investisseur, comprendre ces concepts est crucial pour maximiser les bénéfices de vos projets. Le rendement d’un panneau solaire désigne la proportion de lumière solaire convertie en électricité. Il est exprimé en pourcentage et varie en fonction de la technologie utilisée, des conditions d’installation et des facteurs environnementaux.
Rendement nominal : il s’agit de la performance théorique du panneau, mesurée en conditions optimales (température de 25°C, ensoleillement de 1 000 W/m²). Ce chiffre est indiqué sur la fiche technique du produit.
Rendement réel : en pratique, le rendement est souvent inférieur en raison de facteurs comme l’orientation, l’inclinaison, l’ombrage, ou la température. Par exemple, un panneau avec un rendement nominal de 20 % peut afficher un rendement réel de 15 à 18 % selon les conditions.
La température a un impact significatif sur le rendement des panneaux solaires. Contrairement à une idée reçue, une température élevée réduit la performance des panneaux. Ce n’est pas parce qu’il fait beau et chaud que les panneaux atteignent leur rendement maximal.
Pourquoi la température affecte-t-elle le rendement ?
Les panneaux solaires produisent de l’électricité grâce à la lumière et non à la chaleur (effet photovoltaïque). Lorsque la température augmente, la résistance interne des matériaux semi-conducteurs s’accroît (l’efficacité des modules diminue comme c’est le cas de tout appareil électrique qui chauffe), ce qui réduit la tension de sortie et donc la production d’électricité.
Coefficient de température
Chaque panneau possède un coefficient de température, exprimé en %/°C, qui indique la perte de puissance pour chaque degré au-dessus de 25°C. Par exemple, un coefficient de 0,35%/°C ou de 0,5%/°C signifie une perte de 0,35% ou de 0,5% de puissance par degré supplémentaire.
Le coût d’installation varie selon la technologie choisie (monocristalline, pérovskite, couches minces), la taille du projet et les spécificités du site.
En moyenne, il faut compter dans les 8 000 € à 12 000 € pour une centrale photovoltaïque d’une puissance de 3 kWc. Et on considère un prix au watt-crête (Wc) dégressif à mesure que la puissance augmente.
- Projets de 5 à 9 kWc : un coût unitaire plus élevé (petites surfaces).
- Projets de 36 à 100 kWc : prix moyen au Wc plus bas (installations intermédiaires).
- Projets de plusieurs centaines de kWc : coûts au Wc encore plus compétitifs (toiture industrielle, serre solaire photovoltaïque, etc.).
Les frais incluent le matériel (onduleurs, panneaux, supports), la main-d’œuvre, l’étude préalable et parfois le raccordement au réseau.
Les subventions ou tarifs d’achat préférentiels auront bien évidemment un impact sur la facture finale.
Le retour sur investissement (ROI) s’évalue en divisant le coût total de l’installation par les économies annuelles réalisées.
En milieu professionnel, ces économies proviennent de l’autoconsommation (baisse de la facture d’électricité) et de la revente du surplus au réseau. Le ROI moyen oscille généralement entre 6 et 10 ans selon le dimensionnement et les aides publiques (plus elles sont conséquentes, plus le délai est réduit).
Applications industrielles et innovantes en 2025
Aujourd’hui, l’usage de cellules photovoltaïques ne se limite plus aux toits des bâtiments. Les panneaux solaires s’intègrent dans de nouvelles applications pour mieux répondre aux besoins industriels et commerciaux.
Ombrières de parking
La capacité des ombrières de parking à répondre aux besoins énergétiques d’un site dépend de nombreux paramètres (surface, ensoleillement, profil de consommation) et, dans des conditions optimales, peut couvrir jusqu’à environ 80 % des besoins.
Stockage avec batteries Li-ion ou hydrogène
Le stockage de l’énergie devient stratégique, car il améliore le taux d’autoconsommation. Les batteries lithium-ion dominent le marché actuel. Elles offrent un bon compromis entre capacité, prix et longévité.
L’intégration d’un système de stockage performant peut considérablement réduire la dépendance au réseau, avec une diminution pouvant atteindre environ 70 % dans les meilleures configurations, selon le profil de consommation.
L’hydrogène suscite aussi de l’intérêt. L’idée consiste à utiliser l’électricité pour électrolyser l’eau, produire de l’hydrogène, puis le reconvertir en courant via une pile à combustible. Même si les coûts restent élevés, cette solution attire les acteurs cherchant à lisser leur production d’énergie sur de longues périodes.
IoT et capteurs autonomes alimentés par pérovskites
Les cellules à base de pérovskite ouvrent la voie à des capteurs flexibles et ultra-légers qui peuvent se coller sur des machines, des containers ou des drones. Ils puisent leur énergie dans la lumière ambiante et transmettent des données en temps réel.
Cette miniaturisation permet d’optimiser la logistique, de suivre la production et même de sécuriser des sites sensibles. L’énergie photovoltaïque pénètre ainsi au cœur de l’Internet des Objets (IoT), révélant de nouvelles opportunités pour les années à venir.
Règlementations et aides en 2025
Les autorités responsables soutiennent la transition vers les énergies renouvelables à travers les dispositifs d’incitation financière. Elles imposent aussi des normes strictes que les acteurs de la filière doivent prendre en compte pour sécuriser leurs investissements.
Recyclage obligatoire à 95 % des panneaux (directive UE)
La directive européenne fixe un objectif ambitieux : recycler 95 % des panneaux solaires en fin de vie. Pour y parvenir, les fabricants sont incités à concevoir des matériaux plus faciles à démonter et à séparer. Parallèlement, les acteurs du recyclage innovent pour récupérer des matériaux précieux comme le silicium, le verre, l’aluminium et les métaux rares (indium, gallium, etc.).
Cette mesure phare renforce l’économie circulaire et pousse l’industrie vers une fabrication plus durable et responsable, tout en réduisant l’impact environnemental des déchets photovoltaïques.
Crédit d’impôt et autres dispositifs de soutien
Les aides financières, comme le crédit d’impôt, les aides régionales, etc., encouragent les particuliers et les professionnels à investir dans l’énergie solaire. Ces dispositifs peuvent couvrir jusqu’à 30 % du coût d’installation pour les très petites entreprises (TPE).
FAQ
Ci-dessous les réponses aux questions les plus fréquentes sur les cellules photovoltaïques.