Cellule photovoltaïque 1

Cellule photovoltaïque

cellule photovoltaïque 4 pouces.

Champ de panneaux photovoltaïques,composés de cellules.

Une cellule photovoltaïque est un composantélectronique qui, exposé à la lumière (photons), génèrede l’électricité. C’est l’effet photovoltaïque qui est àl’origine du phénomène. Le courant obtenu est fonctionde la lumière incidente. L’électricité produite estfonction de l’éclairement, la cellule photovoltaïqueproduit un courant continu.

Les cellules photovoltaïques les plus répandues sontconstituées de semi-conducteurs, principalement à basede silicium (Si) et plus rarement d’autresemi-conducteurs : sulfure de cadmium (CdS), tellururede cadmium (CdTe), etc. Elles se présententgénéralement sous la forme de fines plaques d’unedizaine de centimètres de côté, prises en sandwichentre deux contacts métalliques, pour une épaisseur del’ordre du millimètre.

Les cellules sont souvent réunies dans des modulessolaires photovoltaïques ou panneaux solaires, enfonction de la puissance recherchée.

Principe de fonctionnementDans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache unélectron, créant au passage un "trou". Normalement, l'électron trouve rapidement un troupour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'unecellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers uneface opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, ilapparaitra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme unepile.Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonctionPN, entre deux couches dopées respectivement P et N :• La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N[1] . Dans cette

couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur,d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau resteélectriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une chargepositive.

• La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P[2] . Cette couchepossèdera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche desilicium pur, les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargépositivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).

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Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrentdans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi,pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction(parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord dela jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charged'Espace ( ZCE ) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champélectrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens :les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ;inversement les trous ne passent que de N vers P.En fonctionnement, quand un photon arrache un électron à la matrice, créant un électronlibre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : lesélectrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle "-" ), tandis que les trouss'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle "+" ). Ce phénomène est plusefficace dans la ZCE, où il n'y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons outrous) puisqu'ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photony crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leuropposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou)nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. lazone P). Mais la ZCE est forcément très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grandeépaisseur à la cellule[3] .En somme, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquelon a adjoint une diode.Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : enpratique, on utilise un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonneabsorption des photons, etc.Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap dusemi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler lesjonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne lescellules multi-jonctions.

Technique de fabricationLe silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellulesphotovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondantdans la croute terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape est laproduction de silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement, obtenu à partir demorceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique deproduction industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualitéphotovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999%, ce qui s'obtient en transformant lesilicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section ronde oucarrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si nécessaire) de 200micromètres d'épaisseur qui sont appelées « wafers ». Après un traitement pour injecterenrichir en éléments dopant (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur detype P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surfaceet reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellulesphotovoltaïques.

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La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'unmodule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans[4] suivant sa technologie pourproduire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour énergétique du module).Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules sontdécrits dans les 3 paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellules actuellement àl'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable.Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherchesambitieux pour réduire les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques.Les technologies couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffragesde l'industrie naissante. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale depanneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pasbaissé autant qu'espéré . L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé.Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pensemaintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité desilicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix.

Cellule en silicium amorpheLe silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille deverre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites"solaires".• avantages :

• fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert),• un peu moins chère que les autres technologies,• intégration sur supports souples ou rigides.

• inconvénients :• rendement faible en plein soleil, de 5% à 7%[5] ,• nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium

cristallin (ratio Wc/m² plus faible, environ 60 Wc/m2)[6] ,• performances qui diminuent avec le temps (~7%).

Cellule en silicium monocristallinLors du refroidissement, le silicium fondu sesolidifie en ne formant qu'un seul cristal de grandedimension. On découpe ensuite le cristal en finestranches qui donneront les cellules. Ces cellulessont en général d'un bleu uniforme.• avantages :

• bon rendement, de 14% à 16% [5] ,• bon ratio Wc/m2 (~150 Wc/m2)[6] ce qui permet

un gain de place si nécessaire,• nombre de fabricants élevé.

• inconvénients :• coût élevé,• rendement faible sous un faible éclairement.

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Cellule en silicium multicristallin

Une cellule photovoltaïque à base desilicium multicristallin

Pendant le refroidissement du silicium dans unelingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellulephotovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pasuniforme, on distingue des motifs créés par lesdifférents cristaux.• avantages :

• cellule carrée (à coins arrondis dans le cas duSi monocristallin) permettant un meilleurfoisonnement dans un module,

• bon rendement de conversion, environ 100Wc/m2[6] , mais cependant un peu moins bonque pour le monocristallin,

• lingot moins cher à produire que lemonocristallin.

• inconvénient :

• rendement faible sous un faible éclairement.Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapportqualité-prix).Polycristallin ou multicristallin ? On parlera ici de silicium multicristallin (réf. IEC TS61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme polycristallin est utilisé pour lescouches déposées sur un substrat (petits grains).

Cellule TandemEmpilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couchemince de silicium amorphe sur silicium cristallin) absorbant dans des domaines spectrauxse chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simplesdistinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.• avantage :

• sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent rendement.• inconvénient :

• coût élevé dû à la superposition de deux cellules.

Cellule multi-jonctionDes cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applicationsspatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces quiutilisent l'épitaxie par jet moléculaire.Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. bande interdite). D'un autre côté, en deçà de cette longueur d'onde, le surplus d'énergie véhiculé par le photon est perdu. D'où l'interêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres que possible (en multipliant leur nombre d'autant) de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum

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d'électricité à partir du flux solaire. L'usage de matériaux composés de boîtes quantiquespermettra d'atteindre 65% dans le futur (avec un maximum théorique de 87%). Lesdispositifs à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu40.7% d'efficacité (déc. 2006), un consortium (dirigé par des chercheurs de l'université duDelaware) a obtenu un rendement de 42.8%[7] (septembre. 2007). Le coût de ces cellulesest de l'ordre de USD 40 $/cm2.

Semi conducteur fbiLa technique consiste à déposer un matériau semi conducteur à base de cuivre, de gallium,d'indium et sélénium sur un support.Une inquiétude cependant : les ressources en matières premières. Ces nouvelles techniquesutilisent des métaux rares comme l'indium dont la production mondiale est de 25 tonnespar an et le prix d'avril 2007 de 1000 dollars le kg ; le tellure dont la production mondialeest de 250 tonnes par an ; le gallium d'une production de 55 tonnes par an ; le germaniumd'une production de 90 tonnes l'an. Bien que les quantités de ces matières premièresnécessaires à la fabrication des cellules solaires soient infinitésimales, un développementmassif mondial des panneaux solaires photovoltaiques en couches minces sans silicium nemanquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée.

UtilisationLes cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice,...) ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.Elles sont très utilisées en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chèrepour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellementfournie peuvent couter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pastrop d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque,et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres,gadgets, etc.Il est possible d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur oubatterie). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage de l'énergie, il estindispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du système pendant lanuit.Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications(satellites, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public dedistribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Prospective, recherche et développementLa technique n'a pas atteint la maturité et de nombreuses pistes de recherches sontexplorées ; il s'agit d'abord de faire baisser le prix de revient de l'électricité produite, maisaussi d'obtenir des progrès en matière de rusticité, de souplesse d'usage, de facilitéd'intégration dans des objets, de durée de vie, etc.). Toutes les étapes des procédés defabrication peuvent être améliorées, par exemple :• la société « Evergreen Solar » a éliminé l'étape du sciage, remplacée par le dépôt de

silicium encore liquide sur un film où il se cristallise directement à l'épaisseur du "wafer"

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• la société « NanoSolar » industrialise la production de cellules CGIS par une techniqued'imprimerie, en continu, en espérant des coûts de 1 $/W en 2010.

• toutes les sociétés annoncent successivement des accroissements du rendement de leurscellules

• la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations• On cherche à mieux valoriser toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont

l'infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes : transformation directede la lumière d'une flamme en électricité, rafraichissement).

• Des « concentrateurs » (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via desmiroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement surl'élément essentiel et coûteux qui est la cellule photovoltaïque et ses semi-conducteurs.Fin 2007, Sharp a annoncé disposer d'un système concentrant jusqu'à 1100 fois lerayonnement solaire (contre 700 fois pour le précédent record en 2005); début 2008,Sunrgi a atteint 1600 fois. La concentration permet de diminuer la proportion dupanneau consacré à la production de l'électricité, et donc leur coût. De plus ces nouveauxmatériaux (les III-V notamment) supportent très bien l'échauffement important du à laconcentration du flux solaire[8] .

• On étudie aussi la possibilité d'associer les siliciums amorphe et cristallin par «hétérojonction », dans une même cellule photovoltaïque à plus de 20 % de rendement.Projet de 2 ans annoncé début 2008, associant le Laboratoire d'innovation pour lestechnologies des énergies nouvelles et des nanomatériaux du CEA-Liten et la sociétécoréenne JUSUNG (fournisseur d'équipements pour les fabricants de semi-conducteurs),avec l'INES (Savoie) où le CEA-Liten a concentré ses activités concernant l'énergiesolaire.

• D'autres semi-conducteurs (sélénium; association Cuivre-Indium-Sélénium (CIS) encouche mince) sont étudiés par exemple en France par l'institut de recherche etdéveloppement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP [9] ). Le CIS semble pouvoir offrir unrendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication. En 2009, selon ENF, ilexiste 25 entreprises produisant ce type de panneau solaire, Würth Solar est le principalvendeur avec 15 MWc vendus en 2007[10] .

• Des composés organiques (matières plastiques) peuvent également être utilisés pourréaliser des cellules polymères photovoltaïques et pourraient permettre de réaliser despanneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïques, espère-t-on àfaible coût de fabrication. Pour l'instant leurs rendements sont faibles (5% maximum),ainsi peut-être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent àrésoudre. Début 2008, le groupe japonais Fujikura a annoncé[11] avoir testé (1000 heuresà 85 °C et une hygrométrie de 85%) une cellule photovoltaïque organique de type Grätzelnon seulement plus résistante, mais au rendement amélioré de 50 à 70 % grâce à unesurface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie à l'intérieur de la cellule oùelle libère à nouveau des charges électriques en activant d'autres pigmentsphotosensibles.

• Une équipe Américaine du Boston collège à Chestnut Hill (Massachusetts) a mis au point des panneaux solaires capables de récupérer les infrarouges et de les transformer en électricité. Ce qui permettrait une production d’énergie électrique à partir de n’importe quelle source de chaleur, même la nuit[12] . Pour l'instant, seule une partie de la lumière visible, principalement les rayonnements verts et les bleus, est transformée en électricité et le rayonnement infrarouge n'est utilisé que par les panneaux thermiques pour chauffer

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de l’eau.• On cherche aussi à faire des cellules transparentes ; des modélisations pilotées par

l'Institut allemand Fraunhofer de mécanique des matériaux (IWM ; projet "METCO"[13]

laissent penser que des cellules transparentes bi-couches pourraient un jour êtreproduire industriellement. Les semi-conducteurs de type P (couche à lacunesélectroniques ) transparent semblent les plus difficiles à produire (le phosphore pourraitêtre un dopant-P de l'oxyde de zinc, mais l'azote serait plus prometteur[14] ).

• Enfin, la pénurie de silicium ou de produits dopant (Le prix de l'indium a décuplé de 2002à 2009, suite à sa raréfaction) accroît encore l'incitation à l'innovation sur un marché enforte croissance qui s'annonce colossal, surtout si on parvient à baisser le prix de revientde l'électricité produite et à le rapprocher de celui des combustibles fossiles.

Feuille de route du photovoltaïqueVoici quelques objectifs que l'industrie japonaise s'est donnés:

Thème Cible 2010 Cible 2020 Cible 2030

Coût de production 100 Yen/watt 75 Yen/watt <50 Yen/watt

Durée de vie - +30 ans -

Consommation de matière première - - 1 g/watt

Coût du convertisseur - - 15.000 Yen/KW

Coût de la batterie - 10 Yen/Wh -

Efficacité cellule cristalline 20 % 25 % 25 %

Efficacité cellule couche mince 15 % 18 % 20 %

Efficacité cellule CIS 19 % 25 % 25 %

Efficacité cellule III-V 40 % 45 % 50 %

Efficacité cellule "Dye Sensitized" 10 % 15 % 18 %

Source Nedo (Japon), 126.14 Yen = 1€, Jan.2009

Voir aussi• Énergie solaire photovoltaïque• Maximum power point tracker• CuInSe2 (CIS)• cellule CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium)• Cellule photoélectrochimique• Module solaire photovoltaïque• Photovoltaïque raccordé au réseau• Panneau solaire• Cellule photoélectrique• Photorésistance• Semi-conducteur• Tenerrdis• ENF Ltd (base de données concernant les professionnels du photovoltaique)

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Liens externes• Le photovoltaïque [15] expliqué par Hespul, l'association qui a installé le premier "toit

solaire" en France• Modèle d'installation photovoltaïque [16] par l'administration canadienne RETScreen• Bilan énergétique d'une installation photovoltaïque [17] dans plusieurs villes d'Europe• (en) Thin Film Photovoltaics Characterization [18]

Références[1] une petite proportion des atomes de silicium est remplacée par un élément de valence supérieure dans la

classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Lesilicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, parexemple le Phosphore.

[2] par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne13.

[3] On peut, en revanche, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté[4] IEA - Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities

(http:/ / www. eupvplatform. org/ fileadmin/ Documents/ Brochure-indicateurs_26_pays. pdf)[pdf][5] (http:/ / www. ines-solaire. com/ solpv/ page5. html)[6] [pdf] Rendement suivant les matériaux d'après ADEME (http:/ / www2. ademe. fr/ servlet/

getBin?name=D81E8795D5A60FDAA2A71629E1DFB0AC1142434136931. pdf)[7] Green Car Congress: UD-Led Team Sets Solar Cell Efficiency Record of 42.8%; Joins DuPont on $100M Project

(http:/ / www. greencarcongress. com/ 2007/ 07/ ud-led-team-set. html)[8] Source : Nikkei Net (2007 12 06) (http:/ / www. nni. nikkei. co. jp/ AC/ TNKS/ Nni20071205D05JSN05. htm)

(en), Bulletin de l'ambassade de France (http:/ / www. bulletins-electroniques. com/ actualites/ 52270. htm)[9] Institut associant EDF, CNRS et Ecole nationale supérieure de chimie de Paris (ENSCP)[10] (fr) Famille CIS - Couche mince(En production) (http:/ / www. enf. cn/ fr/ database/ panels-cis_family-p.

html)[11] Nikkei Net - 04/02/2008[12] (fr) L’énergie de demain sera-t-elle tirée de l'infrarouge ? (http:/ / www. futura-sciences. com/ fr/ sinformer/

actualites/ news/ t/ developpement-durable-1/ d/ lenergie-de-demain-sera-t-elle-tiree-de-linfrarouge_16390/ ) surfuturascience.

[13] Faisabilité et évaluation de systèmes de couches minces transparents et conducteurs d'électricité avec descouches de semi-conducteurs oxydantes (Machbarkeit und Evaluierung transparenter und elektrisch leitfähigerDünnfilmsysteme mit oxidischen Halbleiterschichten)

[14] Source BE Allemagne numéro 441 ; Ambassade de France en Allemagne ; ADIT (http:/ / www.bulletins-electroniques. com/ actualites/ 59554. htm)(17/06/2009), citant un - 06/2009 Communiqué de presseFraunhofer (http:/ / redirectix. bulletins-electroniques. com/ CUrDs) (en)

[15] http:/ / www. hespul. org/ pvtoitsol. html[16] http:/ / www. retscreen. net/ fr/ g_photo. php[17] http:/ / futura24. site. voila. fr/ solairepv/ pv_bilan. htm[18] http:/ / www. jobinyvon. com/ Thin-Film/ Applications/ Photovoltaics

Sources et contributeurs de l'article 9

Sources et contributeurs de l'articleCellule photovoltaïque  Source: http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Cellule_photovolta%C3%AFque  Contributeurs: Alexis.parisot, Alvaro,Arnaud.Serander, ArséniureDeGallium, Badmood, Balougador, Bap2703, Batteur92, Bob Saint Clar, Bob08, Buuh, Calmos, Cdiot, ChLenclud,Chouchoubidou, Chrisaiki, Claude76, Cxielarko, Céréales Killer, Darjeeling, David Berardan, Domsau2, Dualengine, Eiffele, Eikasia, Emirix, EspritFugace, Fabrice Ferrer, Farfouillette, Fylip22, GFDL fan, GaMip, Gem, Ginkgo, Gz260, HappyBerry, Herman, Hémant, IAlex, ILJR, Ico, JLM, Jamix,Jef-Infojef, Jerome66, JihemD, Julianedm, Kyro, LatinScience, Laurent Nguyen, Leag, Lilyu, Litlok, Lolomalin, Ludo29, Malta, Maseracing, MasterMatt,Mathieuw, Med, Medium69, Moumousse13, Mrfred, Nakor, Nepomuk, NicoV, Nyro Xeo, Ohma, Okiokiyuki, Oxo, Peter 111, Phe, Plyd, PoM, Pulsar,Romram, Rune Obash, Ryo, Sanao, Schusch, Scollin, Seb57 78, Sfrancois, Sitelec, Skiff, Spoke, Stanlekub, Strojarka, Takima, Thedreamstree, Trebosc,Utilisateur 65872, VIGNERON, Van Rijn, Vengeurz, Vi..Cult..., Vincnet, Wagane, Woww, Yompedia, Zedh, Zewan, 208 modifications anonymes

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