Rendement et puissance crête des cellules photovoltaïques

Le rendement d’une cellule ou d’un module photovoltaïque est le rapport entre l’énergie électrique produite par cette cellule ou module et l’énergie lumineuse reçue sur la surface correspondante :

n [%] = Pproduite[kW] / Pincidente[kW]

Le rendement réel varie donc continuellement, en fonction notamment de l’énergie solaire incidente.

Pour permettre une comparaison de l’efficacité de différentes cellules, on définit ces caractéristiques dans des conditions de test bien précises (STC = Standard Test Conditions). Ces conditions sont : émission lumineuse de 1 000 W/m², température de 25 °C, conditions spectrales Air Mass 1.5  (composition du spectre identique au spectre solaire lorsqu’il traverse une épaisseur et demie d’atmosphère, ce qui correspond à un angle d’incidence de 41.8° par rapport à l’horizontale).

La puissance crête est définie comme la puissance électrique produite par la cellule (ou un panneau) lorsqu’elle est soumise aux conditions STC. Cette valeur est utilisée comme référence pour comparer les panneaux photovoltaïques entre eux.

On obtient alors le rendement par la formule suivante :

Nstc [%] = Puissance crête [W/m²]* / Puissance du spectre STC [W/m²]

Avec :

  • Puissance du spectre STC = 1 000 [W/m²].

Influence de l’éclairement

La luminosité influence considérablement les performances des cellules.

Comme le montre ce graphique, le courant de court-circuit (Icc) croît proportionnellement avec l’éclairement, alors que la tension à vide (Vco) varie très peu (environ 0,5 V).

Ainsi, au plus la couverture nuageuse est importante, au plus l’intensité du courant généré est faible.

Influence de la température

La température a une influence considérable sur le comportement de la cellule et donc sur son rendement. Cette influence se traduit principalement par une diminution de la tension générée (et une très légère augmentation du courant).

Suivant les modèles, ce comportement induit, par degré, une perte de 0.5 % du rendement par rapport au rendement maximum de la cellule. On comprendra donc tout l’intérêt d’une ventilation correcte à l’arrière des panneaux !

La perte de tension d’un module ou d’une cellule peut être estimée par la formule suivante :

U(T°) = U(25°C) + (ΔT°*a)

Avec :

  • ΔT : augmentation de température par rapport aux conditions STC (25°C)
  • a : coefficient de température Voc [mV/K], valeur fournie par le fabriquant

Limite de Shockley-Queisser pour le silicium

La limite de Shockley-Queisser est une limite physique bornant à ≈ 30 % le rendement atteignable par les panneaux solaires photovoltaïques courants (composés de cellules en Silicium à jonction simple).
Ce plafond de verre provient de deux phénomènes :

  • Le panneau photovoltaïque ne valorise pas l’entièreté du spectre d’émission solaire (une partie du rayonnement est systématiquement perdue par transformation en chaleur).
  • La seconde loi de la thermodynamique qui limite le rendement des “machines thermiques” en fonction des températures de la source chaude (soleil) et de la source froide (la cellule).

Actuellement, en fonction des installations et des technologies utilisées, le rendement de cellules se situe en moyenne entre 10 % et 20 % (avec un record en Labo à 26,6 %).

Pour s’affranchir de cette limite, des cellules multi-jonctions voient le jour permettant d’atteindre des plafonds théoriques de l’ordre de 80 % de rendement. Ce type de cellule, en condition laboratoire a déjà dépassé le cap des 40 % de rendement !