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L'histoire du photovoltaique de A à Z

L’énergie solaire à toujours été présente sur terre

Le soleil est la principale source d'énergie, de lumière et de chaleur dans le Système solaire, ce qui a permis la vie sur Terre
Il est tellement lumineux que lorsque l’on regarde le ciel en pleine journée, on ne peut distinguer les autres étoiles.
Le soleil a été un objet de crainte et de culte depuis l’antiquité. Le dieu égyptien, Ra, était considéré comme le dieu créateur de l’univers, le dieu de l’état, de la justice mais également le dieu du soleil. Les historiens pensent que la construction des pyramides, ainsi que d’autres monuments antiques, tel que Stonehenge, sont basés sur la course du soleil dans le ciel durant l’année.
Sans le soleil il n’y aurait pas de vie sur terre, pas cycle de l’eau, le vent n’aurait pas la même intensité et les températures seraient tellement froides qu’aucun être vivant ne pourrait survivre.

Quoi qu’il en soit, la croissance exponentielle de la consommation d'énergie par l’homme au cours du 20ème siècle, a mis en évidence l’intérêt de l’utilisation de l'énergie solaire. L’expression "il n'y a rien de nouveau sous le soleil" est particulièrement bien approprié ici car, bien sur, l’homme a crée les panneaux solaires, mais depuis la sédentarisation de l’humanité, la lumière du soleil a toujours été exploitée.

L'histoire nous dit que l’homme est passé du nomadisme à la sédentarisation parce qu’il a appris à cultiver. L'agriculture, est, comme chacun sait, très dépendante de l'ensoleillement. Au fil des millénaires, nous avons utilisé le soleil comme source de lumière, de chaleur etc. La dernière utilisation se résume en un mot: photovoltaïque. Le mot "Photovoltaïque" est la combinaison de deux mots: "photo", mot d'origine grecque qui signifie lumière ; et "voltaïque", provenant de "volt" qui représente l'unité de mesure pour quantifier le potentiel électrique, ainsi nommé en l’honneur du physicien italien Alessandro Volta, qui inventa la première pile électrique au 18ème siècle.

A l'aube de possibilités modernes photovoltaïques.

Quelques décennies après le travail d’Alessandro Volta sur les piles, un autre scientifique du nom d’Edmond Becquerel découvre l'effet photovoltaïque. L'effet photovoltaïque est la capacité d'un matériau à produire de l’électricité lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil. La première "véritable" cellule solaire fonctionnelle ne fut construite qu'en 1883 par l'américain Charles Fritts, cependant le rendement extrêmement faible (de l'ordre de 1%), allié au coût prohibitif des matériaux utilisés (de l'or et du sélénium), empêcha à l'époque leur utilisation à des fins d'approvisionnement en énergie. Plus tard, le chercheur Russel Ohl déposa un brevet en 1946 pour un appareil sensible à la lumière, le brevet étant aujourd'hui admis comme celui de la cellule solaire moderne.

Les panneaux solaires modernes sont en fait composés d'une matrice de cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques exposées aux rayons solaires émettent de l’électricité, elles peuvent êtres mises en parallèle ou en chaîne de circuits et les circuits sont connectés dans un tableau afin de produire la quantité d'énergie nécessaire.
Les panneaux solaires produisent du courant continu (DC), type de courant utilisé par les appareils à piles ou batterie comme les téléphones portables, voitures, calculatrices, montres etc. Les appareils électriques de nos maisons utilisent du courant alternatif (AC), moins facile à stocker que le courant continue, mais plus facile à transporter sur de longues distances. Le courant continue doit donc être convertit en courant alternatif pour pouvoir être utilisé dans nos maison, c’est l’onduleur de l’installation photovoltaïque qui va accomplir cette tache.

Le défi de l'efficacité.

L’effet photovoltaïque fut donc découvert en 1839 et représentait désormais une réalité scientifique. Cependant, il existait déjà à cette époque de nombreuse forme de production d’énergie. 50 ans avant la première cellule photovoltaïque, la dynamo et les turbines produisaient déjà de l’électricité.
Le premier panneau solaire avait un taux de conversion d’à peine 1%. La loi de Betz dit que le rendement maximal théorique d’une turbine est de 59,3% de l’énergie qui passe sur les pales. A cette époque, les dynamos et les turbines avaient une efficacité beaucoup plus importante que les panneaux solaires, ils étaient également beaucoup moins cher à produire.

Depuis sa création, l'énergie solaire a beaucoup lutté pour accroître l'efficacité et l'accessibilité de sa conversion et pour être aussi compétitif que les autres formes de production d'énergie. Ce qui est vraiment impressionnant, c'est le peu de variété du type de production électrique dont dispose l'industrie. A peu de choses près, les autres grandes méthodes de production d'électricité tournent toutes autour de la turbine. Les centrales nucléaires et les centrales à combustibles fossiles utilisent leur combustible pour produire de la vapeur, qui est utilisé pour faire tourner des turbines pour produire de l'électricité. Même d'autres sources d'énergie alternatives, telles que l'énergie hydroélectrique et l’éolienne sont construites autour de la turbine.

De ce fait, ces autres formes de production d’électricité ont pu bénéficier de découvertes et d’amélioration, à partir desquelles elles ont pu toutes progresser. L’avancé photovoltaïque fut donc beaucoup plus restreinte et les progrès restèrent très limités.
Les premières applications pratiques pour l'énergie solaire ont été faites au cours de la course à l'espace lors de la guerre froide. Le défi que devait relever les scientifiques était de savoir comment fournir de l’électricité aux appareils électroniques dans l'espace, la où les restrictions de charge et de place constituent un problème majeur. Pour faire fonctionner leurs appareils, les scientifiques avaient besoin de quelque chose qui n’ajouterait que très peu de poids aux engins spatiaux et satellites lors du décollage La seule chose à leur disposition dans l'espace était la lumière du soleil.

L'avènement de l'énergie solaire.

Les scientifiques commencèrent à construire des panneaux solaires pour les satellites, par chance les progrès de l'électronique contribuèrent fortement aux progrès photovoltaïques. Toute l'industrie électronique a été construite sur les semi-conducteurs, les mêmes matériaux que pour produire de l'énergie solaire. Tous les progrès dans la production du silicium firent avancer la capacité de production des panneaux solaires.

La crise énergétique des années 1970 a radicalement changé nos regards sur l'électricité et l'énergie en général. Le carburant pour nos voitures n’était plus quelque chose que l’on pouvait considérer comme acquis. Toutes les méthodes de production d'énergie propre méritaient désormais qu’on s’y intéresse et qu'on les développe.

L'émergence de l'énergie solaire.

La fin des années 70 provoqua une impulsion, mais les panneaux solaires viables pour les consommateurs n’arrivèrent que 10 ans plus tard, au début des années 1990. Le premier obstacle était de trouver une méthode efficace pour stocker et transférer l’électricité. Comme mentionné ci-dessus, un panneau solaire produit du courant continu, et nos maisons fonctionnent avec du courant alternatif. Un onduleur pouvait assurer la conversion, mais l'électricité reste cependant plus facilement stockée sous forme de courant continu. Les batteries au lithium-ion fournirent une méthode de stockage viable, en plaçant les batteries avant l'onduleur dans le système, elles stock le courant continu qui ne sera convertit qu'une seule fois par la suite. C’est important car chaque conversion du courant continu au courant alternatif ou à l'inverse, provoque une perte de puissance de 10%. Cette perte a été réduite dans les années qui ont suivi, c’est un autre élément important de la viabilité des panneaux solaires. Ainsi, la batterie de stockage était opérationnel, et le système de conversion également. Il ne restait plus qu’à diminuer le cout de fabrication car, jusque la, les panneaux solaires n' étaient par encore rentable pour les particuliers.

Dans les années 90 on réussit à accroître la productivité des panneaux solaires et à réduire leur coût. Les gouvernements commencèrent à s’y intéresser d'encore plus près. De nombreuses améliorations à tous les niveaux virent le jour, dont le système permettant de switcher sur l’électricité du réseau national lors d’éventuelles lacunes du système photovoltaïque. Une maison qui produit plus d’électricité qu'elle n'en consomme peut désormais la revendre à la compagnie d'électricité. Peut-être plus impressionnant encore, les panneaux solaires mobile, installé sur certains concept-cars, avions solaires, appareils électriques sur les bateaux etc.

Jusqu'ou irons nous ?

Avec les crédits d’impôts et les aides de toutes sortes, les panneaux solaires sont devenus très rentables et peuvent désormais constituer une source de revenu supplémentaire pour les particuliers. De nombreuses améliorations très prometteuses sont en cours d'élaboration. Les panneaux solaires photovoltaïques composés de cellules en couche mince et ceux composés de cellules multi-jonction.
(Pour en savoir plus rendez vous ici : Les différents types de panneaux solaires).

Les technologies des couches minces ont été des pionnières dans l'industrie informatique, elles ont amené la miniaturisation des microprocesseurs, l’amélioration des capacités de mémoire etc. En ce qui concerne le photovoltaïque, on développe cette technologie de couche mince, car par la suite on pourra l'appliquer sur à peu près tout, la peinture de votre voiture, la maison, les stores, les fenêtres. Même avec un taux de conversion de 10%, la puissance créée à partir de toutes ces surfaces serait impressionnante.

Les cellules multi-jonction cherchent à améliorer la façon traditionnelle dont les panneaux solaires produisent de l'électricité. Un semi-conducteur comme le silicium ne peut produire de l’électricité qu’à partir d’une certaine longueur d’onde de rayon solaire. Cela signifie que toute la lumière qui n’est pas égale à cette longueur n'est pas utilisé par la cellule, elle est soit réfléchie ou absorbée sous forme de chaleur. En gros une certaine quantité de cellule de panneau solaire est mobilisée sur une seule fraction de la lumière du soleil.
Une cellule multi-jonction est composée de plusieurs couches de matériaux différents, chacun sensible à une longueur d'onde différente. Les scientifiques prédisent que les cellules multi-jonction pourrait exploiter 80% des rayons solaires qu'ils reçoivent, ce qui serait un énorme progrès par rapport à l'efficacité des panneaux solaires actuels.
(Pour en savoir plus rendez vous ici : Les différents types de panneaux solaires).