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- Récapitulatif succinct de l'histoire du photovoltaïque : les grandes dates clés
- Historique de l'effet du photovoltaïque : les origines et découvertes
- Historique de la technologie photovoltaïque : les premières grandes avancées
- Historique de la technologie photovoltaïque : son évolution, son développement et son essor
- La technologie photovoltaïque : aujourd'hui où en sommes-nous?
L’énergie solaire connait un essor fantastique, la croissance de la puissance solaire photovoltaïque installée à l’échelle mondiale est d’une ampleur spectaculaire et évolue de manière exponentielle.
Les technologies dans le domaine du photovoltaïque connaissent également des progrès fulgurants, les recherches et les innovations se multiplient et sont en constante évolution. Les technologies se développent notamment pour atteindre des performances toujours plus poussées et accroitre le taux de rendement (quantité d’énergie lumineuse convertie en électricité).
Si ces objectifs sont immuables pour tous et partout, ils doivent désormais coïncider avec des exigences liées aux procédés et processus de fabrication pour permettre une diminution des besoins en matières et une réduction du coût énergétique.
Quelles sont les origines de la technologie photovoltaïque ? Quelles sont les évolutions au fil des découvertes et quelles ont été les avancées dans son exploitation ? Voici un article qui retrace l’historique de la technologie photovoltaïque.
1. Récapitulatif succinct de l'histoire du photovoltaïque : les grandes dates clés
❖ 1839 : Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque.
❖ 1873 : l’ingénieur Willoughby Smith découvre la photoconductivité de l’élément sélénium.
❖ 1883 : le scientifique Charles Fritts met au point et élabore la toute première cellule solaire fonctionnelle à base de sélénium.
❖ 1905 : Albert Einstein explique et confirme la théorie du « quantum » pour expliquer l’effet photoélectrique. Le rayonnement lumineux est constitué de « quanta » (photons). C’est la naissance de la physique quantique, la fréquence des rayons lumineux et l’énergie transférée vont faire l’objet de nombreuses recherches.
❖ 1939 : l’ingénieur Russell Ohl met en évidence le principe des semi-conducteurs (présence de la jonction p-n). Sa découverte lui permet de concevoir la toute première cellule de type PN et d’en déposer un brevet en 1941.
❖ 1954 : les scientifiques Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller des Laboratoires Bell mettent au point une cellule photovoltaïque de silicium cristallin capable de convertir suffisamment d’énergie solaire en électricité pour être utilisable, son rendement est de 6%.
❖ 1957 : la compagnie californienne Hoffman Electronics parvient à élaborer des cellules photovoltaïques qui atteignent un rendement de 8%, il est porté à 9 % en 1958. Hoffman Electronics devient un acteur majeur dans l’industrie des cellules solaires destinées au domaine spatial.
❖ 1958 : les américains lancent Vanguard 1, le premier satellite équipé de cellules photovoltaïques (six cellules solaires d’un rendement de 9%).
❖ 1959 : Hoffman Electronics développe et commercialise des cellules solaires d’un rendement de 10 %.
❖ 1960 : les cellules de silicium monocristallin atteignent un rendement de 14%. L’utilisation de grilles de contacts métalliques marque une grande avancée.
❖ 1963 : Sharp lance la production industrielle en série de modules photovoltaïques monocristallins (rendement de 8,8%), ce sont les balbutiements de la production masse, l’utilisation de l’énergie solaire peut désormais être envisagée pour les applications terrestres.
❖ Fin des années 1990 : grâce à la Recherche et Développement, les progrès constants en termes de performances et les avancées des technologies vont permettre le déploiement du solaire photovoltaïque.
Suite au Protocole de Kyoto de 1997, la nécessité de réduire les émissions des gaz à effet de serre est reconnue, c’est un consensus sans équivoque. La préservation de l’environnement est un impératif, le solaire photovoltaïque est désormais une solution alternative qu’il faut encourager.
❖ 2000 : la puissance photovoltaïque totale installée au niveau mondial atteint 1,3 GW.
❖ 2015 : la puissance photovoltaïque totale installée au niveau mondial atteint plus de 220 GW.
❖ 2020 : la puissance photovoltaïque cumulée installée dans le monde s’élève à plus 710 GW (gigawatt) et atteint plus de 840 GW en 2021.
♦ L’histoire du photovoltaïque est riche et fascinante, si elle vous tente, Acsolue Energie vous propose de découvrir les avancées, les rebondissements et sauts en avant au fil du temps qui ont marqué le développement de cette fabuleuse technologie…
2. Historique de l'effet photovoltaïque : les origines et découvertes
♦ De nombreuses informations et affirmations sont données sur la découverte de l’effet de photovoltaïque et sur l’évolution des technologies… Il est très aisé de trouver des résumés qui évoquent et retracent l’histoire du photovoltaïque, le web offre l’accès à des publications en tous genres. Bien des sites proposent des articles et présentations plus ou moins détaillés et approfondis. Si cela peut susciter un intérêt pour le lecteur curieux, il y a néanmoins des raccourcis trompeurs, mais plus fâcheux encore, certaines inexactitudes sur les origines de l’effet photovoltaïque sont malheureusement très souvent répétées. Il n’est pas rare de constater des affirmations erronées ou non vérifiées.
♦ Petit voyage dans le temps et condensé historique pour faire la lumière…
✦ Becquerel et sa découverte fortuite de l’effet photovoltaïque
❖ Si quatre générations de Becquerel ont marqué le domaine des sciences, c’est le physicien français Alexandre Edmond Becquerel (1820- 1891), qui est l’origine de la découverte de l’effet photovoltaïque. Edmond Becquerel marche sur les pas de son père Antoine-César Becquerel, tout comme lui, il s’intéresse aux phénomènes électriques et magnétiques et les effets de la chaleur et de la lumière. Ses recherches l’ont, entre autres, amené à faire des découvertes fondamentales pour la photographie couleur.
❖ En 1839, alors qu’il travaille comme préparateur auprès de son père au Muséum National d’Histoire Naturelle, il pratique la physique expérimentale et effectue des recherches sur les effets de la lumière sur les matériaux.
❖ Il est alors fasciné par les procédés photographiques et notamment par le procédé mis au point cette même année par Louis Daguerre et Nicéphore Niépce. Il détourne le tout nouveau procédé photographique Daguerréotype pour élaborer ce qu’il appelle un Actinomètre électrochimique, un instrument permettant de mesurer l’intensité de la lumière et d’analyser le spectre solaire.
❖ Il mène ainsi une série d’expériences en utilisant les procédés chimiques de la photographie, et le 04 novembre 1839, Edmond Becquerel présente à l ’Académie des Sciences son « Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires » où il fait un compte rendu de ses observations.
➛ Il explique que lorsque deux lames métalliques recouvertes d’une couche de chlorure d’argent sont plongées dans une solution acide, un courant électrique est constaté si l’une des lames est exposée aux rayons lumineux.
‣ Schéma de l’actinomètre électrochimique. E. Becquerel.
‣ Schéma de la cuve de l’actinomètre électrochimique
➻ En réalité, E. Becquerel a utilisé des lames de métaux divers pour réaliser ses expériences. Il a testé les réactions avec des lames parfaitement décapées puis recouvertes de différentes substances. Il a exposé ces lames aux différents rayons colorés du spectre solaire puis a fait un compte rendu de tous les résultats obtenus.
EXPLICATIONS
💡 Analyse simplifiée de son expérience
⤷ Eléments utilisés :
– les lames métalliques recouvertes de chlorure d’argent : ce sont les éléments conducteurs qui font office d’électrodes
– la solution acide : il s’agit d’un électrolyte, une solution chimique permettant de conduire une charge électrique.
– le galvanomètre pour mesurer la quantité d’électricité transportée
⤷ Procédé :
– Exposition d’une lame métallique aux rayons lumineux
⤷ Effet constaté :
– Un courant électrique de faible intensité est généré.
❖ Grâce à ses expériences pour démontrer l’interaction entre la lumière et la matière, Edmond Becquerel met ainsi en évidence et dévoile un phénomène photoélectrique, et plus précisément l’effet photovoltaïque.
❖ L’objectif n’était pas alors de générer de l’énergie électrique, le courant constaté était d’ailleurs de très faible intensité. Toutefois, au détour des études menées par E. Becquerel pour mesurer l’intensité de la lumière, le phénomène observé a conduit à ce qui allait bien plus tard s’avérer une découverte majeure…
➥ Source des mémoires : Bibliothèque Nationale de France Gallica Compte Rendu des Séances de l’Académie des Sciences 04 Novembre Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires 1839 P 561-567 https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2968p/f561.item
✦ De l’effet photoélectrique à l’effet photovoltaïque, les premières avancées scientifiques et technologiques
♦ Si l’effet photovoltaïque a effectivement été découvert pour la première fois en 1839, il faudra des décennies pour mieux comprendre ce phénomène, mais aussi pour en percevoir le potentiel et l’identifier comme un moyen de bénéficier d’une source d’énergie naturelle et renouvelable. Des années de recherches seront encore nécessaires pour développer la technologie photovoltaïque.
❖ 1873 : l’ingénieur électricien anglais et ingénieur en télégraphie Willoughby Smith cherche à tester la conductivité de matériaux pour les câbles sous-marins, son objectif est alors de trouver un matériau offrant une grande résistance, il constate alors que la conductivité du sélénium augmente de manière significative lorsqu’il est exposé à la lumière. C’est ainsi que Willoughby Smith découvre la photoconductivité de l’élément sélénium. L’ingénieur s’intéresse à ce phénomène et publie ses observations, cette découverte va attirer l’attention de la communauté scientifique.
❖ 1875 : l’ingénieur et industriel allemand Werner Von Siemens s’intéresse aux propriétés photo-électriques du sélénium, il effectue des recherches sur l’effet de la lumière sur les cristaux de sélénium. Ses études confirment la découverte de Willoughby Smith, le phénomène de la photoconductivité est alors mis en évidence et décrit dans ses publications. Siemens constate entre autres que la conductivité n’est pas proportionnelle à l’intensité de la lumière, mais qu’elle est proportionnelle à la racine carrée de cette intensité. L’ingénieur définit l’effet photovoltaïque tel une conversion de la lumière en énergie électrique.
➥ Source utile ‘‘The Action of Light on Selenium’‘, The Journal of the Royal Society, February 18, 1876
❖ 1876 : le professeur et physicien anglais William Grylls Adams et son élève Richard Evans Day transmettent à la société savante Royal Society un article intitulé l’Action de la Lumière sur le sélénium où ils décrivent à leur tour leurs diverses recherches et expériences menées et les résultats constatés. Ils prouvent qu’un matériau tel que le sélénium exposé aux rayons solaires permet de générer de l’électricité par conversion de l’énergie solaire sans aucune autre source d’énergie que celle de la lumière, sans apport de chaleur ou toute utilisation de quelconques pièces à mettre en mouvement. La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique suscite désormais un grand intérêt.
❖ 1883 : le scientifique et inventeur américain Charles Fritts met au point et élabore la toute première cellule solaire fonctionnelle ! Il parvient à utiliser du sélénium recouvert d’une très fine feuille d’or pour générer un courant continu. Le taux de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique est alors de 1 %, le faible rendement obtenu ne permet pas alors de générer une énergie électrique suffisante pour être exploitable. Le cout élevé des matériaux utilisés constitue également un inconvénient indéniable. Si cette invention ne trouve pas d’aboutissement économique elle reste néanmoins un exploit scientifique et marque un tournant majeur dans le développement de la technologie photovoltaïque.
❖ En 1884, Charles Fritts installe le premier prototype d’installation photovoltaïque fonctionnel sur un toit de New York, tel un témoin des perspectives à présager.
➥ Source photographie : https://www.smithsonianmag.com/
❖ La lumière et ses effets fascinent les physiciens. Depuis les recherches et découvertes de James Clerk Maxwell (1831-1879) dans les années 1860 sur l’existence des ondes électromagnétiques, la lumière est considérée comme une onde lumineuse résultant de la propagation d’une perturbation électromagnétique.
❖ 1887 : alors que l’allemand Heinrich Hertz (1857-1894) mène des expériences sur la détection et la mesure des ondes électromagnétiques, il découvre que le rayonnement ultraviolet favorise des décharges électriques (sous forme d’étincelles) au niveau des électrodes de son appareil. Les observations de H. Hertz mettent en évidence l’effet photoélectrique, mais le physicien ne s’attarde pas sur ce phénomène découvert par hasard.
❖ 1888 : le physicien allemand Wilhelm Hallwachs (1859-1922) étudie le phénomène observé par H. Hertz et réalise une série d’expériences qui lui permettent de constater qu’une plaque de métal soumise à un rayonnement ultraviolet se charge positivement. W. Hallwachs en déduit que sous l’effet de la lumière, des particules chargées négativement sont arrachées du métal irradié. Les charges négatives perdues sont jusqu’alors assimilées à des poussières métalliques. En 1897, grâce aux recherches menées par le physicien anglais Joseph John Thomson sur l’atome, le mystère des particules est enfin élucidé : J.J. Thomson affirme que l’atome n’est pas indivisible puisqu’il est possible de lui arracher des charges négatives, l’atome est donc, en partie, constitué de particules élémentaires plus petites chargées négativement. Ces charges négatives, les électrons, sont alors nommées « corpuscules ». Le phénomène photoélectrique est donc dû à un flux d’électrons…
❖ 1900 : Max Planck (1858-1947) est un physicien allemand qui, dès la fin du XIXe siècle, s’intéresse aux relations entre la chaleur, la lumière et l’énergie. Le rayonnement thermique du « corps noir » est un sujet d’étude auquel il consacre ses recherches. Max Planck cherche à expliquer comment un corps qui absorbe toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit sans la réfléchir ou la diffuser, peut émettre une énergie sous forme de rayonnement thermique selon la chaleur à laquelle il est soumis. Selon le physicien, la quantité d’énergie émise ne dépend que de la température (ce qui deviendra La loi de Planck). En 1900, M. Planck présente une théorie selon laquelle l’énergie est absorbée ou émise au moyen de « paquets » d’énergie qu’il nommera « quanta »*. Cette théorie est alors en contradiction avec la physique classique et la théorie des ondes admise. Le concept de « quantum » est novateur, le physicien ne sait pas alors que sa théorie va bouleverser le monde scientifique puisqu’il pose le fondement de la physique quantique. En 1918, Planck reçoit le prix Nobel de physique en reconnaissance de l’avancement de la physique par sa découverte. C’est toutefois Einstein qui prouvera et expliquera cette théorie quelques années plus tard…
* quanta* (plur) = quantum (sing)
❖1902 : Après avoir travaillé comme assistant de H. Hertz, le physicien allemand Philipp Lenard (1862-1947) continue à étudier l’effet photoélectrique. Dès 1899, ses expériences et recherches corroborent les affirmations et résultats établis par J.J. Thomson : l’effet photoélectrique correspond à l’émission d’électrons par un matériau soumis à l’action de la lumière. En 1902, les travaux réalisés conduisent P. Lénard à démontrer que la vitesse des électrons arrachés sous l’effet du rayonnement lumineux ne dépend pas de l’intensité lumineuse mais de sa fréquence, la vitesse augmente lorsque la fréquence de la lumière incidente augmente (elle est donc aussi fonction de la longueur d’onde). Il constate cependant que le nombre d’électrons émis est proportionnel à l’intensité lumineuse du rayonnement.
Or la théorie ondulatoire de la lumière ne permet ni de comprendre ni d’expliquer le phénomène observé. Les concepts admis de l’époque interdisent toute interprétation logique. La nature ondulatoire de la lumière allait être remise en question…
Quelques notions et explications
⬗ Onde électromagnétique : onde issue d’un champ électrique et d’un champ magnétique associés. L’onde électromagnétique se propage dans l’air ou le vide (absence de matière) sous la forme d’une oscillation, elle transporte de l’énergie sans transporter de matière et est caractérisée par sa longueur d’onde et sa fréquence.
⬗ Spectre électromagnétique : classement des rayonnements électromagnétiques, il s’étend des rayons gamma (pour les ondes les plus courtes) aux ondes radio (pour les ondes les plus longues).
⬗ Fréquence : correspond au nombre d’oscillations par seconde. Unité : Hz (Hertz). Symbole : ƒ (ou v)
⬗ Longueur d’onde : représente la distance parcourue par l’onde pendant une période d’oscillation. Unité : nm (nanomètre) Symbole : λ (lambda)
⬗ La lumière correspond à un type d’onde électromagnétique dont la couleur dépend de la longueur d’onde.
⬗ Lumière visible : longueurs d’ondes de 400 nm à 800 nm.
‣ Fréquence et longueur d’onde. ➥ Source : https://quizlet.com/229373458/ch1-les-ondes-diagram/
‣ Schéma : Spectre électromagnétique. Source : Wikipédia
Crédit image Ploufandsplash, CC BY-SA 3.0
❖ 1905 : c’est l’homme de sciences légendaire Albert Einstein (1879-1955) qui apporte une interprétation plausible de l’effet photoélectrique. Le physicien s’appuie sur la théorie du « quantum » de lumière proposée par M. Planck. Il publie un article sur l’effet photoélectrique intitulé Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière, où il explique sa théorie particulaire de la lumière. Le rayonnement lumineux est selon lui constitué de particules, il s’agit de paquets d’énergie, des « quanta » (selon la terminologie de Planck), que l’on nommera plus tard photons.
⤷ A. Einstein explique que la quantité d’énergie (E) d’un quantum de lumière dépend de la fréquence (v) du rayon lumineux, donc de la longueur d’onde (λ) de la lumière. Autrement dit, l’énergie d’un photon est proportionnelle à la fréquence de la lumière, plus la longueur d’onde est courte et de petite fréquence, plus la quantité d’énergie est grande.
⤷ La fréquence de la lumière détermine la quantité d’énergie de chaque photon tandis que l’intensité de la lumière détermine le nombre de photons.
⤷ Einstein postule qu’un quantum de lumière (photon) n’interagit qu’avec un seul électron, lui transférant son énergie. Ainsi, lorsqu’un photon entre en collision avec un électron présent à la surface d’un métal donné, il lui transmet son énergie. Si la quantité d’énergie du photon est suffisante alors l’électron est arraché.
⤷ L’émission d’un électron dépend de la fréquence de la lumière et du matériau.
⤷ La théorie proposée par Einstein explique dès lors l’effet photoélectrique. Les ondes électromagnétiques sont assimilées à des flux de quanta (photons) dont la quantité d’énergie dépend de la fréquence de l’onde, si cette énergie est suffisante l’effet photoélectrique correspond à l’absorption des quanta de lumière et l’émission des électrons. Son raisonnement explique, en outre, pourquoi les rayons ultraviolets (de fréquence élevée) contrairement aux rayons de basse fréquence génèrent une émission d’électrons.
⤷ Son approche est révolutionnaire et contredit la théorie ondulatoire de la lumière, le concept de la dualité onde-particule de la nature de la lumière est alors largement contesté. Son interprétation sera démontrée et confirmée expérimentalement par le physicien américain Robert Millikan (1868–1953) en 1914. La communauté scientifique mettra encore quelques années pour admettre le modèle particulaire de la lumière.
⤷ En 1921, Albert Einstein reçoit le prix Nobel de physique « pour ses services rendus à la physique théorique, et en particulier pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique”. Le terme « photon » sera proposé par le physicien Gilbert Newton Lewis en 1926.
➥ Source Traduction du discours de S. Arrhenius lors de la remise du prix Nobel de physique:
https://markstrackside.com/fr/le-prix-nobel-le-logo-du-prix-nobel/
💡 Info : E = mc2 mais pas que…
Selon la théorie particulaire d’Einstein, la quantité d’énergie d’un photon correspond à la formule :
E = h v
E est l’énergie du photon
h est la constante de Planck
v est la fréquence de l’onde
‣ Schéma : Emission des électrons qui requiert une quantité minimale d’énergie des photons.
Source : Wikipédia Ponor, CC BY-SA 4.0
❖ 1918 : Suite à ses recherches sur la cristallisation du silicium, le chimiste polonais Jan Czochralski (1885– 1953) développe son procédé de purification du silicium permettant d’obtenir un cristal unique de très grande pureté, le silicium monocristallin. La technique mise au point porte depuis lors le nom de méthode Czochralski.
♦ Alors qu’Edmond Becquerel observait et révélait l’effet photovoltaïque en 1839, un siècle de découvertes et recherches a été nécessaire pour expliquer le phénomène photoélectrique. La compréhension de l’effet photoélectrique va désormais permettre de développer la technologie permettant d’utiliser l’effet photovoltaïque.
♦ L’effet photoélectrique se caractérise par le transfert de l’énergie des photons aux électrons et leur émission. L’effet photovoltaïque, quant à lui, consiste à générer un courant électrique, l’énergie des photons est transférée aux électrons qui sont alors excités et libérés, la mise en mouvement des électrons permet alors de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.
♦ L’effet photovoltaïque peut être obtenu en utilisant un matériau semi-conducteur, les recherches seront désormais principalement axées sur les capacités de conduction des matériaux et les moyens de les améliorer. L’objectif est d’obtenir les meilleurs rendements pour une exploitation pertinente et optimale de l’énergie solaire, une ressource naturelle renouvelable devenue très prometteuse…
3. Historique de la technologie photovoltaïque : les premières grandes avancées
♦ A la fin des années 1930, les recherches sur les matériaux conducteurs s’accentuent, les propriétés conductrices du silicium sont mises en évidence.
✦ L’étrange histoire de M. Ohl et son silicium particulier
❖ 1939 : l’ingénieur et chercheur américain Russell Ohl (1898-1987) effectue des recherches poussées sur la purification et la cristallisation du silicium, il est convaincu qu’un cristal de silicium de très grande pureté pourrait fournir une meilleure capacité de diffusion des électrons.
⤷ Alors qu’il travaille chez Bell Labs (Bell Telephone Laboratories), il fait une découverte fortuite sur les propriétés des cristaux de silicium. En effet, il constate un comportement étrange d’un échantillon défectueux fissuré : le cristal génère une tension bien plus élevée lorsqu’une de ses faces est exposée à la lumière…
⤷ Il s’aperçoit que le cristal présente des types d’impuretés distinctes au niveau de la fissure. Les impuretés contribuent à apporter un excès d’électrons d’un côté tandis que qu’elles créent un déficit de l’autre. Le cristal de silicium présente donc une barrière interne intermédiaire entre la zone de type P (dite dopée positivement) et la zone de type N (dite dopée négativement).
⤷ Lorsque le cristal est exposé à la lumière les électrons (de charge négative) sont éjectés, ils laissent alors ce que l’on nomme un « trou d’électron » de charge positive. Les électrons libérés se mettent en mouvement à la recherche d’autres » trous » où se repositionner. Les charges étant contraires les électrons sont « attirés » et transitent via le circuit extérieur. La barrière PN interne du cristal permet alors une circulation en sens unique, le courant électrique est ainsi généré.
Par analogie, les électrons doivent se rendre d’un point A à un point B pour retrouver leurs binômes (les trous), une barrière les sépare et ne s’ouvre que dans un sens, la configuration du cristal n’offre qu’une voie en sens unique, le circuit externe…
⤷ R. Ohl comprend la portée du mécanisme observé, sa découverte lui permet de concevoir la toute première cellule de type PN et d’en déposer un brevet en 1941 (accordé en 1946).
➥ brevet américain US2 402 662 , « Dispositif sensible à la lumière »
⤷ L’étrange cristal de silicium de Ohl est ainsi l’ancêtre des cellules solaires modernes, le développement de la technologie photovoltaïque repose sur ce même mécanisme. Le concept de dopage de type N et P du silicium par introduction d’impuretés devient reconnu comme le principe de semi-conduction. La zone barrière est appelée « jonction PN ». Un matériau semi-conducteur est donc à mi-chemin entre un isolant et un conducteur. Le dopage permet désormais d’accroitre et de contrôler la conductivité des semi-conducteurs.
⤷ La découverte de Ohl et son brevet constituent une avancée majeure et fondamentale pour l’industrie électronique et photovoltaïque.
➥ Voir article Au cœur de la cellule solaire pour comprendre l’effet photovoltaïque. Dopage du silicium cristallin, production d’électricité
✦ La naissance des premières cellules photovoltaïques opérationnelles
❖ 1954 : les chercheurs et scientifiques américains Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller des Laboratoires Bell parviennent à mettre au point une cellule photovoltaïque de silicium cristallin capable de convertir suffisamment d’énergie solaire en électricité pour être utilisable.
⤷ Selon les estimations et calculs de D. Chapin, développer une cellule permettant d’atteindre un taux de conversion de 6 % serait satisfaisant, les chercheurs se concentrent alors sur cet objectif. Grâce à leurs recherches poussées et améliorations diverses concernant notamment les types d’impuretés pour le dopage du cristal de silicium, leur cellule atteint effectivement un rendement appréciable de près de 6%. Le résultat est remarquable pour l’époque, le taux obtenu représente près d’un quart du rendement des cellules actuelles.
⤷ Les Laboratoires Bell déposent leur brevet en mars 1954.
➥ brevet américain US2780765A « Solar energy converting apparatus »
⤷ Le 25 avril 1954, les trois chercheurs présentent leur invention à la presse. Pour leur démonstration les cellules utilisées permettent d’alimenter un émetteur radio ainsi qu’une roue miniature.
⤷ Le lendemain, le New York Times déclare dans un article qu’un tel dispositif marque le début d’une nouvelle ère, les cellules solaires sont la promesse de produire de l’énergie en exploitant l’énergie solaire, une source presque illimitée.
‣ De gauche à droite : Gerald Pearson, Daryl Chapin et Calvin Fuller. Les inventeurs testent leur dispositif à la lumière d’une lampe.
❖ 1955 : Les Laboratoires Bell adaptent leurs cellules solaires pour alimenter un relai téléphonique en zone rurale (en Géorgie). Installé sur un poteau le module est composé de 432 disques solaires selon un assemblage de 48 unités de 9 disques.
❖ Les résultats obtenus sont remarquables mais les coûts de fabrication sont encore excessivement élevés et les rendements sont bien trop faibles pour que l’utilisation des cellules soit justifiée. En 1956, les premières cellules à base de silicium sont commercialisées mais le marché reste très limité en raison de leur coût prohibitif.
Note : En 1925 Western Electric Co et AT&T (American Telephone & Telegraph Company) fondent Bell Labs aujourd’hui connu sous le nom de Nokia Bell Labs.
➥ Sources utiles
Photos :
https://www.bell-labs.com/timeline/#/1950/1/open/
https://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_photovoltaics.html
https://invention.si.edu/node/19569/p/482-solar-electric-photovoltaics
https://solarmuseum.org/cells/prototype-solar-battery/
Article The Silicon Solar Cell Turns 50: https://www.nrel.gov/docs/fy04osti/33947.pdf
This Month in Physics History (April 25, 1954) : https://www.aps.org/publications/apsnews/200904/physicshistory.cfm
Video AT&T Archives: The Bell Solar Battery : https://www.youtube.com/watch?v=3I1JhyOahIw https://www.bell-labs.com/timeline/#/1950/1/open/
4. Historique de la technologie photovoltaïque : son évolution, son développement et son essor
✦ La technologie photovoltaïque dans la folle histoire de la conquête de l’espace
♦ C’est la conquête spatiale qui va permettre de donner un élan décisif à la technologie photovoltaïque. Les programmes spatiaux et les explorations successives menées vont constituer un levier de développement incontestable. L’utilisation de l’énergie solaire devient vite une solution évidente pour approvisionner en énergie les satellites.
❖ 1955 : Western Electric Co qui est la branche en charge de la fabrication et production pour Les Laboratoires Bells, accorde les premières licences pour la fabrication et la commercialisation des cellules solaires photovoltaïques. Une petite firme américaine se lance dans l’aventure mais échoue à faire baisser les coûts.
❖ 1956, la compagnie californienne Hoffman Electronics Corporation rachète la firme et obtient la licence pour utiliser le brevet. Pour Hoffman Electronics Co et sa division dédiée aux produits semi-conducteurs, le marché des cellules photovoltaïques présente un intérêt indéniable même s’il reste encore restreint en raison du cout élevé des cellules et leur faible rendement. Les efforts en R&D* permettent à Hoffman Electronics Co d’accroitre les rendements et performances des cellules. Pour les programmes spatiaux, la technologie photovoltaïque apparait alors comme une solution potentielle pour répondre aux besoins en énergie des satellites. En 1956, Hoffman Electronics parvient à élaborer des cellules solaires d’un rendement de 2%.
* Recherche et Développement
❖ 1957 les cellules photovoltaïques développées par Hoffman Electronics atteignent 8%, le rendement est porté à 9 % en 1958. Hoffman Electronics devient un acteur majeur dans l’industrie des cellules solaires destinées au domaine spatial.
❖ 1958 : Le satellite soviétique Spoutnik 1 est le premier objet satellisé par l’homme en 1957, un an plus tard les américains lancent leur satellite Vanguard 1, une petite sphère d’aluminium de 15,2 cm de diamètre qui est équipée de deux émetteurs radioélectriques. L’un des deux émetteurs est alors alimenté par six cellules solaires d’environ 5 cm avec un rendement estimé à 9%. Le satellite soviétique Spoutnik III est à son tour lancé deux mois plus tard, il est en partie alimenté par des cellules solaires au silicium.
➥ Source photo Vanguard 1 Wikipedia NASA, Public domain, via Wikimedia Common
❖ 1959 : Hoffman Electronics développe et commercialise des cellules solaires d’un rendement de 10 %.
❖ 1959 : Le satellite américain Explorer-6 est mis en orbite, il est équipé de quatre modules solaires constitués 9 600 cellules de 1 cm x 2 cm dont le rendement atteint 10%, les modules permettent ainsi de recharger les batteries une fois en orbite. ➱
➥ Source photo Explorer-6 Wikipedia NASA, Public domain, via Wikimedia Common
❖ 1960 : grâce aux recherches constantes menées, Hoffman Electronics parvient à élaborer des cellules photovoltaïques de plus en plus performantes, les cellules de silicium monocristallin présentent alors un rendement remarquable pour l’époque de 14%. L’utilisation de grilles de contacts métalliques marque également une grande avancée.
✥ L’émergence de la technologie photovoltaïque en France :
⤷ La première cellule photovoltaïque française à haut rendement à base silicium est élaborée en 1960 grâce aux recherches et travaux menés depuis 1958 par Michel Rodot (1928-2002), chercheur au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Spécialiste des semi-conducteurs, M. Rodot et son équipe de collaborateurs sont les pionniers en France dans le développement de l’énergie photovoltaïque, ils continueront à contribuer à de grandes avancées et innovations en termes d’élaboration de cellules et semi-conducteurs. A la fin des années 1970 Daniel Lincot (né en 1954), chimiste et chercheur émérite au CNRS sera lui aussi un acteur majeur de la recherche dans le domaine de la technologie photovoltaïque.
⤷ Dès 1961, le CNRS et le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) s’engagent dans des programmes de recherches et projets visant à exploiter la technologie photovoltaïque et à améliorer les performances des cellules solaires. Dès 1961, diverses initiatives sont également lancées pour certaines applications terrestres et s’avèrent concluantes (systèmes de pompage d’eau, signalisation, radiocommunication, relais de télécommunications…).
⤷ Dans le cadre d’une coopération franco-américaine établie par la NASA, le CNES développe le premier satellite scientifique français doté de cellules solaires. Le satellite FR-1 est lancé par la fusée américaine Scout en décembre 1965 depuis la base spatiale de Vandenberg en Californie, et est placé sur une orbite quasi circulaire. FR-1 il est destiné à une étude scientifique de la propagation des ondes de très basse fréquence (T.B.F.) dans l’ionosphère, la couche supérieure ionisée de l’atmosphère. D’une masse de 62 kg, il a la forme d’un polygone à 8 facettes surmonté de cônes à 6 facettes, chaque facette est recouverte de cellules solaires pour lui conférer l’autonomie nécessaire. FR-1 effectue des observations et transmets les renseignements scientifiques pendant 2,5 ans. FR-1 est une première pour le CNES ! En février 1966, la France lance le satellite D-1A Diapason, il est cette fois équipé de quatre panneaux solaires. La France est alors la 3ème puissance spatiale après l’Union Soviétique et les Etats Unis.
⤷ La RTC (Radiotechnique-Compelec, filiale de Philips France) et la SAT (Société Anonyme des Télécommunications) seront les principaux premiers fabricants de cellules et panneaux solaires en France. La Radiotechnique Compelec produit les premiers modules photovoltaïques pour les applications terrestres dès 1960, et reste pionnière dans ce domaine pendant plusieurs années. La SAT sera notamment impliquée dans les applications spatiales dès le milieu des années 1960 pour équiper les premiers satellites français en panneaux solaires.
⇦ Satellite FR-1
Satellite D-1A Diapason ⇨
➥ Source photos satellites FR-1 et Diapason : http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_europeen/espace_francais/CNES_satellites.htm
⮩ Source utile : Vidéo FR-1 https://www.youtube.com/watch?v=NIS_cDyc9PI
❖ 1962 : Les Laboratoires Bell développent depuis 1960 un satellite de télécommunications expérimental, il s’agit d’un projet international soutenu financièrement par les USA, le Royaume-Uni et la France. Telstar 1 est lancé en juillet 1962, il est alimenté par 3 600 cellules solaires qui recouvrent ses 72 facettes et permettant de générer une puissance de 14 watts. Telstar 1 est le premier satellite de communication directe opérationnel au monde permettant de relayer les signaux de télévision transatlantiques. Il cessera de fonctionner en 1963 mais il marque un tournant dans la communication par satellite.
➥ Source photo Telstar Wikipedia NASA, Public domain, via Wikimedia Commons
✥ Développement du solaire photovoltaïque au Japon :
⤷ 1963 : L’entreprise japonaise Sharp lance la production industrielle en série de modules photovoltaïques monocristallins, ils offrent un rendement de 8,8% permettant l’utilisation de l’énergie solaire pour des applications terrestres.
⤷ Au Japon, dans la première phase d’exploitation de la technologie photovoltaïque, la R&D* est orientée sur l’élaboration de cellules photovoltaïques destinées aux applications terrestres et non pour une utilisation à des fins spatiales.
⤷ Ce sont donc les grandes entreprises japonaises spécialisées dans les semi-conducteurs qui vont à l’origine contribuer au développement de la technologie photovoltaïque. Le géant industriel de l’informatique et de la télécommunication NEC (Nippon Electric Company) et l’entreprise Sharp (spécialisée dans la conception et fabrication de produits électroniques) se disputent alors le marché notamment pour équiper les phares, les balises flottantes et les stations relais au début des années 1960.
⤷ Sharp élabore ses premières cellules solaires en 1959, en 1963 les modules alors commercialisés offrent une meilleure résistance et des performances plus élevées que son concurrent, et ce pour une surface moindre. Sharp devient alors leader dans le domaine de l’énergie solaire au Japon.
⤷ En 1966 Sharp installe un système de modules d’une puissance de 225 Watts permettant d’alimenter le phare de l’île d’Ogami à Nagasaki, c’est alors la plus puissante installation solaire au monde pour une application terrestre.
⤷ Sharp ne cessera de démontrer ses compétences dans la conception de cellules solaires de hautes performances et se diversifiera dans la conception de nombreux équipements et outils alimentés par l’énergie solaire. Plus tard Sharp sera également à la pointe pour l’utilisation de la technologie photovoltaïque au niveau résidentiel.
⤷ Le programme de développement de cellules solaires pour les applications spatiales débute en 1965. En 1976, Sharp équipe « Ume » le premier satellite japonais opérationnel doté de cellules solaires, soit 4 940 modules.
⤷ La R&D* dans le domaine de la technologie photovoltaïque sera notamment soutenue par le programme japonais Sunshine lancé en 1974.
* Recherche et Développement
➥ Source utile https://global.sharp/solar/en/history/
❖ 1964 : La NASA lance le premier satellite météorologique du programme Nimbus (deuxième génération de satellites météorologiques), il est surnommé le « papillon » en raison de ses deux panneaux solaires assimilés à des ailes. C’est le premier satellite équipé d’un système de « tracking » permettant aux panneaux de pivoter et s’orienter pour rester dans la trajectoire des rayons lumineux. L’utilisation d’un tel dispositif permet désormais d’optimiser l’exploitation de l’énergie solaire. Les panneaux permettent d’alimenter le satellite en fournissant une puissance de 470 watts.
➥ Source photo Nimbus 2 NASA
✦ La technologie photovoltaïque: bilan sur son évolution dans les années 1960
♦ Dans les années 1960, pour les grandes puissances mondiales, la technologie photovoltaïque est reconnue comme une source d’énergie d’avenir. Au-delà des perspectives énergétiques, elle revêt néanmoins une dimension stratégique, chaque force en présence a parfaitement conscience qu’il s’agit d’une technologie incontournable pour répondre aux ambitions spatiales et affirmer sa position au niveau mondial.
❖ L’énergie solaire devient rapidement la principale source d’énergie pour alimenter les satellites, en effet, la problématique de l’autonomie des satellites et du stockage de l’énergie devient vite une évidence, utiliser l’énergie solaire disponible dans l’espace prend alors tout son sens.
❖ L’utilisation des panneaux solaires se généralise pour les applications spatiales, les sommes allouées à la R&D sont considérables. Grâce aux découvertes scientifiques et avancées technologiques, le rendement est monté en flèche atteignant un taux dépassant 14% fin 1960, ce taux exceptionnel va néanmoins stagner pendant plus de 10 ans.
❖ Les choix technologiques et les matériaux utilisés sont principalement déterminés par les spécificités et contraintes liées aux applications spatiales, les cellules sont, entre autres, soumises à des températures extrêmes et opposées, aux radiations, et au vide spatial. La R&D oriente, par conséquent, ses travaux afin d’élaborer des cellules dont les caractéristiques techniques répondent aux exigences de leur utilisation dans l’espace, de tels objectifs et desseins sont alors gage de fiabilité et robustesse. La conception des cellules nécessite également de prendre en compte d’autres considérations telles que la taille, le poids, et la durabilité.
❖ La recherche s’attache évidemment aussi à améliorer les rendements et performances d’autant plus que la production électrique doit répondre aux besoins en énergie grandissants des satellites et autres engins spatiaux.
❖ Si l’utilisation de la technologie photovoltaïque ne constitue pas encore une source d’énergie alternative rentable sur terre, elle doit donc son développement aux besoins en énergie pour les applications spatiales. Les enjeux et objectifs ciblés favorisent la R&D, les avancées sont impressionnantes et constantes. Au-delà de l’impact phénoménal en termes de progrès, les besoins en évolution perpétuelle assurent la continuité de la recherche. La technologie photovoltaïque d’aujourd’hui découle des investissements scientifiques, humains et financiers qui ont été nécessaires et cruciaux à son développement dans le domaine spatial.
❖ Au milieu des années 1960, l’utilisation de la technologie photovoltaïque pour des applications terrestres reste très marginale mais se révèle de plus en plus appropriée lorsque les configurations s’y prêtent, notamment dans le domaine maritime pour équiper les phares et balises flottantes dont les besoins en énergie restent modestes.
✦ La technologie photovoltaïque : de l’espace à la Terre. Les années 1970 et 1980.
♦ Dans les années 1970, l’efficacité et les performances grandissantes de la technologie photovoltaïque dans le domaine spatial suscitent de plus en plus l’intérêt pour l’énergie solaire, elle devient une option pertinente pour alimenter certains équipements terrestres ou maritimes.
❖ Parvenir à produire de l’électricité par la conversion de l’énergie solaire offre de nouvelles perspectives et solutions. En mer, dans le désert, dans des régions reculées ou sur des sites isolés, utiliser des systèmes photovoltaïques permet d’éviter l’alimentation par batteries difficilement gérable et coûteuse. Et lorsque le raccordement à un réseau électrique est trop onéreux ou impossible, c’est alors la seule solution envisageable.
❖ Certains appareils et équipements peu énergivores peuvent dès lors être alimentés efficacement par une source inépuisable :
➛ Les modules solaires photovoltaïques alimentent de plus en plus d’appareils de signalisation : lumières signalétiques pour les chemins de fer, signaux lumineux pour la navigation tels que les phares et balises flottantes, signalisation des plateformes pétrolières offshore…
➛ Dans les lieux reculés ou dans le désert, l’énergie solaire est la réponse pour mettre en place et alimenter des relais de télécommunication.
➛ Dans les pays en développement où des missions sont menées, exploiter le solaire photovoltaïque permet des actions humanitaires : créations de systèmes de pompage de l’eau, alimentation pour l’éclairage et l’utilisation d’appareils de réfrigération dans des cliniques, alimentation de télévisions pour l’enseignement, alimentation pour la mouture du grain…
❖ Ces types d’installations démontrent une fois de plus la robustesse et la fiabilité des cellules photovoltaïques qui sont souvent soumises à des conditions extrêmes (eau et corrosion, chaleur, air salin…).
❖ Outre ces applications terrestres spécifiques, la technologie photovoltaïque va également peu à peu permettre d’équiper de petits outils du quotidien.
❖ Suite au premier choc pétrolier de 1973 et la crise qui en découle, la recherche de nouvelles sources d’énergie alternative s’intensifie. L’envolée des prix du pétrole et les besoins impérieux en énergie agissent comme un catalyseur majeur pour les investissements dans les énergies renouvelables. La conjoncture provoque une réelle mobilisation du potentiel scientifique et technique. Les industriels et les grandes firmes pétrolières s’intéressent de plus en plus à la technologie photovoltaïque synonyme d’une plus grande autonomie et dont la demande s’amplifie.
❖ La recherche, les avancées et l’industrialisation font progressivement baisser les coûts, la production de cellules et modules photovoltaïques augmente tandis que les améliorations en rendement et performances sont continuelles. L’utilisation de la technologie photovoltaïques se développe désormais à la fois pour les applications spatiales et terrestres. L’exploitation de l’énergie solaire devient un atout qu’il ne faut en aucun cas négliger. C’est aussi une réponse pour les mouvements écologistes émergents.
❖ A la fin des années 1970 et dans les années 1980, l’énergie solaire, devient simultanément une source inépuisable d’innovations…
Quelques dates et repères clés
❖ 1973 : Les laboratoires de la compagnie américaine Comsat (Communications Satellite Corporation) élaborent une cellule photovoltaïque monocristalline selon un procédé de texturation de la surface permettant de limiter la réflexion de la lumière. La cellule destinée aux applications spatiales atteint un nouveau record de rendement de 15.2%.
❖ 1973 : L’Institut de Conversion de l’Energie à l’Université américaine du Delaware construit « Solar One » une maison expérimentale alimentée et chauffée par l’énergie solaire, le système est alors intégré à la toiture. Le projet consiste à démontrer que l’énergie solaire peut à la fois fournir de l’électricité grâce à la technologie photovoltaïque (à couches minces) et de la chaleur. L’Institut a été créé en 1972 pour mener des recherches sur le solaire thermique et photovoltaïque, notamment sur les cellules solaires en couches minces.
➥ Source utile : livre : Inventory of energy research and development–1973-1975: Volume 1 de De Oak Ridge National Laboratory
❖ 1976 : Grâce au procédé de texturation le rendement des cellules monocristallines à base de silicium dépasse 16%.
❖ 1976 : le physicien David E Carlson et l’ingénieur électricien Christopher R.Wronski, des laboratoires RCA (Radio Corporation of America), conçoivent la toute première cellule photovoltaïque constitué de silicium amorphe hydrogéné. Le silicium utilisé sur une épaisseur extrêmement mince (quelques microns) n’a pas été cristallisé, les rayons lumineux sont mieux absorbés, néanmoins, la structure du silicium ne permet pas d’atteindre de hauts rendements et la durée de vie des cellules est limitée (le rendement chute considérablement après un certain temps d’exposition). L’absence de cristallisation et la faible quantité de silicium utilisé permettent de réduire considérablement les coûts de fabrication. Les cellules à base de silicium sont si minces qu’elles peuvent être intégrées sur des supports souples et très divers. Cette technologie marque un nouveau tournant puisqu’elle va permettre d’alimenter les petits appareils électroniques. L’efficacité de conversion initiale est de 2% maximum.
❖ 1976 : Sharp lance la production des premières calculatrices solaires. Pour la plupart des gens, la calculatrice représente le premier objet alimenté à l’énergie solaire qu’ils connaissent et utilisent…
❖ 1979 : le président Jimmy Carter fait installer des panneaux solaires thermiques sur le toit de la Maison-Blanche mais son successeur Ronald Reagan exige leur retrait en 1981. En 2010, pour répondre à une campagne intitulée « Put solar on it » (= mettez du solaire dessus) en faveur de la transition énergétique, le président Barack Obama annonce l’installation d’un système photovoltaïque sur le toit de la Maison Blanche. Il s’agit alors d’un symbole pour montrer la voie du futur et représente l’engagement américain pour un avenir énergétique propre. L’installation sera toutefois seulement concrétisée en 2014.
❖ 1980 : le Gossamer Penguin est le premier avion habité entièrement propulsé par l’énergie solaire. Elaboré par l’équipe de la société AeroVironment menée par l’ingénieur aéronautique américain Paul MacCready, cet avion prototype a une envergure de 22 m pour un poids de 31 kg. Il est équipé de 3920 cellules solaires permettant de produire 541 watts pour alimenter son moteur électrique.
➥ Source photo Gossamer Wikipedia NASA, Public domain, via Wikimedia Commons
❖ 1981 : Le Solar Challenger, version améliorée du Gossamer Penguin, parvient à traverser la Manche (262 km) sans aucune batterie de réserve (14,3 m d’envergure pour 90 kg). 16 000 cellules solaires photovoltaïques d’une puissance totale de 3 000 watts équipent les ailes de l’aéronef.
➥ Source photo Solar Challenger : https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/NASA-electric-propulsion-180957302/
❖ 1982 : Arco Solar, branche de la compagnie pétrolière américaine Atlantic Richfield Company construit le premier parc solaire photovoltaïque à l’échelle du mégawatt. Le projet expérimental de 1 000 kilowatts occupe 20 acres près de Hesperia, en Californie.
❖ 1983 : après un parcours de plus de 4 000 km, la Quiet Achiever devient la première voiture à énergie solaire pouvant parcourir une longue distance. Le véhicule entièrement alimenté par des cellules photovoltaïques a été conçu par le pilote de course australien Larry Perkins et son frère Garry en partenariat avec BP, le projet est soutenu par l’aventurier Hans Tholstrup. L. Perkins et H. Tholstrup se relaient à bord du véhicule durant 20 jours pour traverser l’Australie d’ouest en est (de Perth à Sydney). Tholstrup a alors l’idée de lancer une course longue-distance réunissant uniquement des engins solaires.
➥ Vidéo The Quiet Achiever (documentaire en anglais qui vaut un petit coup d’œil) : https://www.youtube.com/watch?v=jMmTRI6giSU
Note : la toute première voiture prototype de démonstration pouvant être conduite a été mise au point par le chimiste américain Charles Escoffery en 1960, élaborée à partir d’une ancienne Baker (voiture électrique), elle pouvait rouler au maximum pendant 3 heures si toutes les conditions étaient optimales (et batterie chargée)
➥ Source photo National Museum Australia
❖ 1985 : L’université de Nouvelle-Galles du Sud de Sydney (The University of New South Wales / UNSW) reconnue mondialement dans le domaine de la recherche et de l’innovation parvient à atteindre une efficacité de conversion record de 20% pour une cellule de silicium monocristalline (rendement obtenu en laboratoire).
❖ 1987 : la première course World Solar Challenge (défi solaire mondial) est lancée à l’initiative de Hans Thostrup, elle est depuis lors organisée tous les deux ans. Les véhicules expérimentaux entièrement alimentés à l’énergie solaire parcourent plus de 3 000 km à travers l’Australie en reliant Darwin à Adelaïde. A charge de chaque équipe de concevoir son véhicule, toutes les expérimentations en matière d’aérodynamisme étant admises, l’apparence des véhicules est devenue très futuriste.
➥ Source complémentaire : https://solarpower.guide/solar-energy-insights/history-solar-powered-car
✦ La technologie photovoltaïque dans les années 1990. Les avancées « fantastaïques » et leurs limites
♦ Dans les années 1990, le développement de l’énergie solaire photovoltaïque se heurte toujours à la problématique de son coût, sa rentabilité constitue encore un obstacle majeur pour une utilisation domestique.
❖ Si les sources d’énergie conventionnelles restent la plupart du temps moins onéreuses, dans les zones reculées ou dans des zones difficiles d’accès, on commence à voir apparaitre des maisons alimentées à l’énergie solaire qui constitue alors la seule source d’énergie possible.
❖ La technologie multi-jonctions. Dans le domaine spatial, les investissements restent massifs, la R&D est désormais principalement orientée vers la technologie multi-jonctions permettant d’atteindre des performances et rendements supérieurs à la technologie monocristalline à base de silicium. Les cellules sont composées d’une combinaison de divers matériaux semi-conducteurs et comportent ainsi plusieurs jonctions p–n. Les différents semi-conducteurs absorbent alors l’énergie d’une plus large partie du spectre lumineux (gamme de longueurs d’ondes lumineuses plus large). Les rayons lumineux sont ainsi mieux captés par rapport à des cellules au silicium standards composées d’une seule jonction p-n. Cette technologie est une solution efficace pour atteindre des rendements spectaculaires (au-delà de 25% dans les années 1990 et au-delà de 40 % vers la fin des années 2000).
Les cellules élaborées durant les premières années sont à double jonction, dans les années 2000 la triple puis quadruple jonction est développée… En 2020, la technologie permet de concevoir des cellules à 6 jonctions.
Cette technologie de pointe reste réservée aux applications spatiales en raison de son coût prohibitif, l’architecture complexe des cellules multi-jonctions revient très cher à produire.
❖ La technologie à concentration. Pour réduire la taille des cellules, et par conséquent la quantité de matériau utilisé, tout en augmentant les rendements, la R&D va peu à peu s’orienter vers des dispositifs permettant de concentrer les rayons lumineux. La technologie photovoltaïque à concentration utilise des dispositifs optiques tels que des miroirs ou lentilles (lentilles de Fresnel) permettant de réfléchir ou réfracter* les rayons lumineux ainsi concentrés. Notons que plus la concentration est importante plus un effet de surchauffe apparait qui doit être géré.
Dans les faits, cette technologie trouve ses limites puisqu’elle implique un rayonnement solaire direct (non diffus). Cette technologie est donc associée à un système de tracker pour suivre le soleil au cours de la journée et des différentes saisons (et ce dans les régions les mieux exposées).
Note : le « sun », c’est quoi
L’unité de mesure utilisée pour déterminer le facteur de concentration est le « sun ».
⤷ Pour une cellule sous une concentration de 100 suns, la lumière concentrée équivaut alors à 100 fois l’irradiance du soleil.
⤷ 1 sun = aucune concentration
⤷ 1 sun = 100 mW/cm2
L’utilisation de la technologie photovoltaïque à concentration se limitera finalement à de grands parcs solaires notamment dans le sud-ouest américain où les conditions d’ensoleillement sont les plus adaptées.
➱ En 2020, des chercheurs du NREL, laboratoire national américain des énergies renouvelables, parviennent à fabriquer une cellule photovoltaïque à 6 jonctions sous un facteur de concentration de 143 suns dont l’efficacité de conversion solaire atteint 47,1%. Une performance en laboratoire qui montre le potentiel de la technologie photovoltaïque.
* faire dévier la direction
❖ A la fin du 20ème siècle, la recherche permet d’obtenir un rendement de 25% pour les cellules monocristallines de silicium (taux atteint en conditions de laboratoire), ce taux va rester assez stable pour cette technologie.
➥ Source utile : tableau des meilleurs rendements par technologies : https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
❖ Le Sommet « Planète Terre » de Rio des Nations Unies en 1992, et la signature du Protocole de Kyoto en décembre 1997 ont marqué une prise de conscience grandissante des risques et enjeux liés au dérèglement climatique. Il est désormais nécessaire de prendre des décisions concrètes et d’agir pour limiter l’impact de la hausse des températures sur l’ensemble de notre écosystème et les phénomènes climatiques.
Réduire les émissions des gaz à effet de serre devient un impératif pour la préservation de l’environnement et la lutte contre le réchauffement climatique. Alors que les énergies renouvelables apparaissent comme une des solutions et atouts à privilégier, la technologie solaire photovoltaïque est reconnue des plus prometteuses.
La plupart des grands pays industrialisés, qu’ils soient ou non signataires du protocole de Kyoto, vont progressivement mettre en place des lois et programmes gouvernementaux et des incitations financières pour permettre le développement du solaire photovoltaïque.
❖ 1999 : la puissance photovoltaïque totale installée atteint environ 1000 mégawatts. Le cap du GW est franchi…
➥ Sources utiles, puissance PV totale installée : https://www.irena.org/solar https://irena.org/publications/2022/Apr/Renewable-Capacity-Statistics-2022
Help !
Des watts au térawatt
Kilowatt : 1 kW = 1 000 W
➠ 1 000 watts
Mégawatt : 1 MW = 1 000 kW
➠ 1 million de watts
Gigawatt : 1 GW = 1 000 MW
➠ 1 milliard de watts
Térawatt : 1 TW = 1 000 GW
➠1 000 milliard de watts
✦ L’ essor de la technologie photovoltaïque depuis les années 2000. Le solar boom…
❖ 2000 : la puissance photovoltaïque totale installée au niveau mondial atteint 1,3 GW.
❖ Depuis le Protocole de Kyoto, une politique de développement durable est engagée, la transition énergétique doit être amorcée. Pour les gouvernements, l’objectif est désormais de valoriser et promouvoir l’utilisation des énergies renouvelables. Le solaire photovoltaïque constitue une source d’énergie alternative qu’il est nécessaire d’exploiter pour répondre aux besoins grandissants en énergie tout en préservant l’environnement. A partir des années 2000, le Japon, l’Allemagne, la France, la Chine, les États-Unis et la plupart des pays industrialisés mettent progressivement en place des systèmes incitatifs pour développer l’utilisation de l’énergie solaire dans le secteur résidentiel. Les secteurs agricoles, du tertiaire et des services publics constituent également des marchés qu’il faut encourager.
❖ Pour soutenir l’utilisation et la production de l’énergie photovoltaïque, les incitations sont diverses, des lois sont promulguées tandis que les programmes et plans énergétiques se multiplient. Les aides financières accordées prennent la forme de crédits d’impôts, de primes et reposent souvent sur le principe de tarifs d’achat garantis de l’électricité lorsque celle-ci est injectée sur le réseau.
❖ Produire et vendre de l’électricité verte doit devenir une opportunité financière grâce aux tarifs d’achat contractualisés mais l’autoconsommation doit, elle aussi, être encouragée. Les dépenses en énergie des logements et bâtiments professionnels sont considérables, favoriser l’alimentation en électricité verte grâce à l’énergie photovoltaïque par le biais d’incitations financières prend donc tout son sens. Quelles que soient les aides mises en place, l’objectif est de réduire le coût encore élevé des installations et d’optimiser ainsi la rentabilité d’un tel investissement.
❖ Le solaire photovoltaïque est également encouragé grâce au soutien de divers organismes et associations qui œuvrent pour élaborer et concrétiser des projets d’ampleur et de natures variées au sein de communes ou quartiers ciblés. Ces projets se multiplient notamment en Europe, bien souvent des associations de protection de l’environnement voient dans ces actions un moyen idéal de communiquer sur leurs ambitions écologiques.
❖ Peu à peu la technologie photovoltaïque est reconnue comme un moyen de générer des revenus ou de diminuer la facture énergétique. Le nombre de systèmes solaires installés sur les toits est désormais en progression constante, qu’il s’agisse de bâtiments professionnels, de résidences ou hangars. Pour les propriétaires et investisseurs, les centrales solaires au sol deviennent un moyen de garantir une valorisation des terrains agricoles, le nombre de « fermes » et grands parcs photovoltaïques se multiplient à travers le monde…
❖ 2000 : en France, un dispositif d’Obligation d’Achat de l’électricité d’origine renouvelable est institué et encadré par la loi du 10 février 2000 (article 10). Le fournisseur d’énergie historique EDF, et les entreprises locales de distribution (ELD) sont mandatées par l’état pour racheter l’énergie produite. L’Obligation d’Achat (OA) permet ainsi aux producteurs d’énergie renouvelable de bénéficier d’une garantie d’achat de l’électricité produite sur le long terme, moyennant un prix fixe. Le prix d’achat est fixé par les pouvoirs publics par arrêtés tarifaires.
❖ 2002 : le premier arrêté tarifaire est mis en place en France, il fixe les conditions d’éligibilité, les limitations de puissance, les principes d’obtention, ainsi que des tarifs d’achat (différenciés selon l’emplacement géographique). Les diverses données sont modifiées par les arrêtés tarifaires successifs de 2006, 2010, 2011, 2017 et 2021 (arrêté dit S21).
➛ En janvier et août 2010 les tarifs d’achat sont revus à la baisse, le décret moratoire de décembre 2010 suspend l’obligation d’achat pendant 3 mois pour limiter la spéculation grandissante. En mars 2011 le nouvel arrêté tarifaire met fin à ce fameux moratoire, de nouvelles conditions sont définies et les tarifs sont révisés.
➛ Les premières mesures pour favoriser efficacement l’autoconsommation de l’électricité d’origine photovoltaïque apparaissent en 2017. Le nouvel arrêté tarifaire établi cette année-là fait apparaitre un tarif d’achat pour le surplus d’énergie produite lorsqu’elle n’est pas consommée sur place, ainsi qu’une Prime à l’Investissement dont le montant dépend de la puissance installée. Ces nouveaux dispositifs marquent un nouvel élan pour le solaire photovoltaïque grâce au secteur résidentiel où l’autoconsommation représente un intérêt majeur.
➛ L’arrêté tarifaire actuellement en vigueur est mis en place en 2021. Des décrets et arrêtés permettent également d’apporter des modifications.
➥ Voir article Le solaire photovoltaïque : aides, conditions, Obligation d’Achat. Tarifs d’achat et primes en 2024
➥ Voir article L’énergie solaire photovoltaïque : vente totale, autoconsommation, vente du surplus
❖ 2007 : la première centrale photovoltaïque flottante expérimentale est installée dans la préfecture d’Aichi au Japon (dans la région du Tōkai de l’île de Honshū). L’année suivante, le premier système flottant opérationnel et commercialisé est mis en service sur le site d’un vignoble de Californie aux Etats Unis, sa puissance est de 175 kW. Les centrales photovoltaïques flottantes vont, elles aussi, progressivement se développer un peu partout dans le monde mais notamment au Japon puis en Chine. Le solaire photovoltaïque permet de pallier les contraintes géographiques et d’espaces, c’est également une solution pour valoriser des sites qui ne constituent aucun attrait. Les étendues d’eau inexploitées ainsi que les lacs de barrages représentent alors un potentiel pour la production électrique.
‣ Photo : parc flottant sur le réservoir du barrage de Yamakura au Japon mise en service en 2018.
❖ Dans les années 2000, les mécanismes et mesures d’incitations financières permettent d’accélérer la croissance de l’industrie photovoltaïque. La demande est en augmentation constante, de nouveaux fabricants apparaissent. Les investissements en R&D sont considérables pour permettre d’améliorer les performances et procédés de fabrication et ainsi réduire les coûts de production.
La production mondiale de modules solaires s’intensifie progressivement, la production à grande échelle permet également de réduire les coûts, ce qui incite à son tour la demande en systèmes photovoltaïques…
Le développement du solaire photovoltaïque est favorisé par un véritable effet boule de neige sur tous les fronts : production et industrialisation, demande, progrès technologiques, baisse des coûts… Tous les voyants sont au vert pour un essor spectaculaire !
➥ Source utile : Baisse du coût du solaire photovoltaïque, graphique : https://www.irena.org/Statistics/View-Data-by-Topic/Costs/Solar-Costs
❖ 2008 : la puissance photovoltaïque totale installée au niveau mondial atteint 14 GW. En 2012 la barre des 100 GW est franchie !
❖ A partir des années 2010, le développement du solaire photovoltaïque connait une progression aussi impressionnante que constante. Les fabricants se mobilisent pour proposer des modules monocristallins à hautes performances à des prix de plus en plus abordables. Les innovations en matière de technologie photovoltaïque foisonnent, et dans d’innombrables domaines les cellules ou modules équipent de plus en plus d’objets et équipements.
❖ 2015 : la puissance photovoltaïque totale installée au niveau mondial atteint plus de 220 GW. Les rendements des modules les plus performants sur le marché atteignent en moyenne des taux de 15 % à 18 %. La puissance moyenne des modules monocristallins est comprise entre 250 Wc et 290 Wc (60 cellules).
❖ 2016 : l’avion monoplace Solar Impulse 2 est parvenu à faire le tour du monde de mars 2015 à juillet 2016 en étant exclusivement alimenté à l’énergie solaire. Le projet est mené par les suisses Bertrand Piccard (explorateur) et André Borschberg (pilote), l’avion conçu en fibre de carbone, ne pèse que 2,5 tonnes. Solar Impulse 2 est propulsé à l’énergie solaire générée par plus de 17 000 cellules photovoltaïques qui recouvrent les immenses ailes de 72 mètres. Le système photovoltaïque alimente les quatre moteurs électriques et permet de recharger les batteries embarquées.
➥ Sources Vidéos courts reportages :
https://www.francetvinfo.fr/sciences/solar-impulse/solar-impulse-2-l-avion-autonome-a-acheve-son-tour-du-monde_1564217.html
https://www.youtube.com/watch?v=DDEsj5wM7a0
➥ Source photo et informations: https://aroundtheworld.solarimpulse.com/fra
❖ 2020 : la puissance photovoltaïque cumulée installée dans le monde s’élève à plus 710 GW (gigawatt) et atteint plus de 840 GW en 2021.
➥ Source utile : Puissance PV totale installée 2000-2021 : https://public.tableau.com/views/IRENARETimeSeries/Charts?:embed=y&:showVizHome=no&publish=yes&:toolbar=no
5. La technologie photovoltaïque : aujourd'hui où en sommes-nous ?
♦ Depuis 1839 l’histoire et le développement de la technologie photovoltaïque ont été marqués par diverses étapes, de l’observation des propriétés de la lumière à la découverte du potentiel des semi-conducteurs, de la compréhension de l’effet photoélectrique à l’appropriation de l’effet photovoltaïque, et des travaux entrepris pour améliorer les rendements à la recherche de nouvelles technologies pour convertir l’énergie solaire en électricité…
❖ Plusieurs décennies de progrès scientifiques et industriels ont été nécessaires pour que le coût des cellules photovoltaïques permette de rivaliser avec les formes d’énergie conventionnelles. Le coût est longtemps resté un obstacle majeur au développement du solaire photovoltaïque pour un usage domestique. Très rapidement cette source d’énergie renouvelable est apparue très prometteuse et pertinente, la levée du frein financier était une étape incontournable, il fallait trouver le juste compromis entre coûts et performances.
❖ Les coûts de production en baisse par l’optimisation des procédés de fabrication, les technologies de plus en plus abouties, les performances incroyables atteintes grâce à la R&D, et les incitations financières ont permis au solaire photovoltaïque de devenir une solution alternative plus accessible.
❖ Désormais la légitimité de la technologie photovoltaïque est reconnue, sa fiabilité et son efficacité en font une source d’énergie renouvelable très populaire. Chaque jour les adeptes sont toujours plus nombreux à l’adopter pour répondre aux besoins quotidiens en énergie.
❖ Son utilisation se généralise peu à peu, les systèmes solaires ponctuent le paysage, ils ornent les toits, habillent les surfaces terrestres et flottent sur les étendues d’eau. La transition énergétique et le déploiement des installations photovoltaïques impliquent toutefois une gestion intelligente des surfaces à exploiter.
✦ Le solaire photovoltaïque au sol et le solaire flottant
❖ Partout les objectifs en termes de puissance installée à court terme sont ambitieux mais ils visent à répondre à l’urgence écologique et climatique. Si une augmentation significative des installations sur toiture est nécessaire, ce type d’implantation seul, malgré son potentiel, ne permettra ni de tenir les objectifs dans le temps, ni de répondre aux besoins en énergie grandissants. La transition énergétique nécessite d’augmenter rapidement la part d’Energie Renouvelable (EnR) dans le mix électrique, or pour développer la capacité de production d’électricité photovoltaïque il est impératif de lui consacrer de grandes surfaces exploitables. Dans ce contexte, les ressources foncières disponibles sont vite devenues une réelle problématique.
❖ Si le solaire photovoltaïque sur toiture permet d’alimenter de manière plus responsable et plus écologique nos foyers en électricité, les préoccupations environnementales doivent inciter à la prudence et une grande vigilance lorsqu’il s’agit de centrales photovoltaïques au sol ou flottantes.
❖ Tout projet de ferme photovoltaïque doit être considéré et étudié avec précaution pour garantir la préservation et la qualité du milieu dans le temps. Le choix du site et les conditions d’implantation nécessitent d’évaluer les éventuelles conséquences dommageables sur l’environnement. Eviter d’impacter les espaces naturels, agricoles et forestiers par la dégradation de l’écosystème et la perte de biodiversité doit rester une priorité. L’intérêt est d’implanter des systèmes photovoltaïques sur des sites qui n’ont ou n’auraient aucune autre vocation. La préservation de l’environnement implique de privilégier les sites déjà anthropisés, dégradés et/ou délaissés : anciens aérodromes, anciens circuits automobiles, terrains désaffectés, anciennes décharges, friches industrielles, carrières devenues inexploitées, friches de sites militaires, friches ferroviaires et autoroutières, lacs artificiels (anciennes carrières et gravières…), bassins de traitement d’eau, retenues d’eau artificielles ne permettant aucun autre usage…
Les possibilités sont multiples ! Exploiter les surfaces de parkings grâce à des ombrières photovoltaïques est par exemple une solution de plus en plus prisée puisqu’elle permet d’abriter les espaces de stationnement tout en produisant de l’électricité solaire.
❖ Parmi les projets visant à exploiter des zones désertiques, le programme Desert To Power a été approuvé dès 2019 par 11 pays d’Afrique, notamment soutenu par la Banque africaine de développement. Le projet prévoit d’installer 10 GW de capacité de production solaire d’ici 2030.
❖ Le solaire photovoltaïque doit constituer une solution de réhabilitation et de valorisation des espaces délaissés et dégradés. L’utilisation d’une énergie renouvelable ne peut être justifiée si l’exemplarité en matière environnementale n’est pas respectée.
❖ Notons que dans le domaine agricole, l’installation de centrales photovoltaïques sur les toits de hangars se généralise, cela n’impacte pas alors l’emprise surface au sol puisque le hangar a une fonctionnalité au sein de l’exploitation.
✥ Zoom sur l’agrivoltaïsme
⤷ En France, les centrales photovoltaïques au sol « n’ont pas vocation à être installées en zones agricoles », ainsi conserver la vocation agricole des terres est une priorité. Néanmoins, de tels projets peuvent être autorisés si l’installation est compatible avec la poursuite de l’activité agricole.
⤷ Le concept d’agrivoltaïsme est apparu, il s’agit d’un système permettant l’exploitation agricole (culture ou élevage) d’un terrain tout en utilisant ce même espace pour une production d’électricité photovoltaïque. Un caractère hiérarchique est néanmoins fondamental, l’activité agricole est priorisée. L’association à la production en électricité doit constituer un soutien et une fonctionnalité permettant de favoriser la production agricole (protection contre les aléas climatiques, limitation de la sécheresse ou de l’excès d’eau, ombrage pour l’animal ou les cultures…).
⤷ La notion de synergie de fonctionnement implique que la dimension énergétique ne doit ni prendre le pas, ni engendrer une dégradation qualitative ou quantitative de la production agricole. La possibilité de démantèlement est également à prévoir, la réversibilité est un critère primordial.
⤷ Lorsque les centrales photovoltaïques sont destinées à occuper des sols agricoles, même s’il s’agit de simples pâturages, la difficulté réside dans le contrôle et l’encadrement des projets pour éviter les dérives et la spéculation foncière. Un peu partout dans le monde, l’agrivoltaïque est perçu comme une solution au potentiel indubitable pour favoriser la transition énergétique, néanmoins cette source d’énergie ne doit pas devenir un facteur de dégradation de notre environnement, le but est bien de le préserver dans le temps.
⤷ L’aménagement des sols nécessaire pour la réalisation de l’installation photovoltaïque doit lui aussi être pris en considération, il n’implique pas seulement le site d’implantation : création des voies d’accès, tranchées pour le raccordement au réseau électrique, incidence sur les écoulements et infiltration des sols…
⤷ L’évaluation des incidences sur certaines zones à protéger, notamment les zones Natura 2000 destinées à la conservation des habitats naturels, de la faune et la flore sauvages est un sujet épineux.
⤷ L’impact sur le paysage ne doit pas non plus être négligé.
⤷ Les projets de fermes solaires se heurtent régulièrement à des collectifs et campagnes d’opposition. De tels projets suscitent inévitablement la crainte, compréhensible, de voir l’intérêt économique prendre le pas sur la préservation de l’environnement. La menace d’une déprise agricole, la crainte d’une artificialisation des surfaces et d’une flambée des prix du foncier constituent les arguments d’opposition majeurs au cœur des polémiques.
⤷ La situation environnementale est en dégradation constante, les enjeux écologiques et environnementaux sont considérables, et le temps est compté. L’objectif est désormais d’assurer une accélération significative du rythme de développement de la puissance photovoltaïque installée. La problématique est de trouver les leviers et les moyens à mettre en œuvre pour soutenir ce déploiement tout en conciliant préservation de l’environnement et ressources foncières disponibles. Reste à considérer de manière rationnelle et raisonnable les moyens et les solutions pour rendre les objectifs réalisables… L’agrivoltaïsme, lorsque les conditions le permettent, apparaît comme une des solutions pour relever le défi de la transition énergétique et limiter le réchauffement climatique. Cette activité double apparait comme un compromis qui permettrait de contribuer au déploiement du photovoltaïque et d’éviter l’étiolement des surfaces disponibles, ce, en soutenant l’activité agricole priorisée.
✥ Le solaire flottant
⤷ La technologie est encore considérée comme émergente mais elle se développe aux quatre coins du monde. Les projets de puissances variables se multiplient un peu partout sur la planète.
⤷ Peu à peu de nombreux pays se jettent l’eau »…
⤷ Le solaire flottant a l’avantage de ne pas mobiliser des ressources foncières et peut permettre de limiter les conflits d’usage.
❖ La transition énergétique / écologique relève d’un consensus, elle est ni plus ni moins une évolution vers la durabilité. Elle implique une prise de conscience et une stratégie orientées vers le développement durable pour la préservation de notre planète et de nos ressources. Cette transition énergétique si précieuse pour notre avenir, s’inscrit néanmoins dans un schéma où l’utilisation des surfaces disponibles constitue une problématique. L’agrivoltaïsme et le solaire flottant offrent des surfaces utilisables potentielles tout en préservant les ressources foncières, ce sont des solutions non négligeables pour favoriser l’accès à une source d’énergie renouvelable dont nous avons terriblement besoin.
➥ Voir les chapitres dédiés à l’agrivoltaïsme et le solaire flottant, article Le solaire photovoltaïque : les perspectives d’améliorations et les technologies d’avenir ?
✦ Le solaire photovoltaïque : un peu partout, beaucoup, évidemment, surtout…
❖ Après plus de 180 ans, le solaire photovoltaïque connait aujourd’hui un engouement sans précédent et une croissance exponentielle au niveau mondial. Il faut bien le reconnaitre, cette source d’énergie a le vent en poupe, sa popularité est grandissante. Les installations se multiplient partout dans le monde et les configurations d’implantation sont très diversifiées. L’utilisation des modules photovoltaïques se décline sous diverses apparences : sur les toits des habitats et bâtiments industriels ou agricoles, sur les terrasses, en ombrières en façade ou sur parking, au sol… L’adaptabilité, la modularité et la fiabilité du solaire constituent des atouts indéniables.
❖ Alors que le phénomène du changement climatique fait peser une menace globale sur notre planète, la possibilité de produire une énergie verte pendant toute la durée de fonctionnement d’une installation photovoltaïque est un critère écologique qui favorise le développement de cette source d’énergie renouvelable .
❖ Si l’investissement pour une installation photovoltaïque reste conséquent, la baisse des coûts et les performances accrues permettent de rendre cette source d’énergie alternative de plus en plus accessible. Face à la hausse du coût de l’électricité, les économies énergétiques et les éventuels revenus générés sont désormais des arguments de poids qui expliquent l’attrait grandissant pour cette source d’énergie alternative. Exploiter l’énergie solaire apparait de plus en plus comme une solution efficace et pertinente pour gagner en indépendance énergétique ou pour valoriser le foncier grâce à la vente totale de l’énergie produite (notamment pour les exploitations agricoles).
❖ La technologie solaire photovoltaïque a beaucoup évolué grâce aux investissements colossaux en R&D. Performances, rendement, fiabilité, durabilité, éco-conception, procédés de fabrication et de recyclage (et valorisation des matériaux), dans tous les domaines les améliorations sont stupéfiantes. Les innovations et progrès en matière de conversion photovoltaïque de l’énergie solaire et d’intégration de cette technologie à des supports très divers sont considérables. Du moindre gadget aux bâtiments d’envergures variées, le solaire photovoltaïque s’immisce partout dans notre quotidien. Utiliser l’énergie solaire pour les applications dites « nomades » (sans raccordement au réseau) ouvre la voie à une multitudes de possibilités, qu’il s’agisse d’augmenter l’autonomie de moyens de transport terrestres ou maritimes ou d’alimenter des équipements très diversifiés : éclairage urbain ou privé, signalisation, borne de recharge diverses (vélo électriques, appareils multimédia…), relais de télécommunication… Les applications spatiales constituent toujours un domaine où le solaire photovoltaïque poursuit une évolution prodigieuse.
❖ L’histoire fascinante du solaire photovoltaïque nous enseigne combien cette technologie vit et se nourrit de découvertes, d’innovations, et de bouleversements. Dans le monde entier la recherche est en effervescence et reste extrêmement dynamique. En parallèle, le déploiement du solaire photovoltaïque s’accélère, bénéficier du rayonnement solaire pour produire de l’électricité apparait comme une évidence et une nécessité. De nos jours, l’énergie photovoltaïque est devenue une des sources les plus compétitives de production d’énergie renouvelable dans le monde et la tendance devrait s’amplifier grâce à la baisse des coûts potentielle associée à l’augmentation des performances.
❖ 2022 : la puissance photovoltaïque totale installée au niveau mondial atteint et dépasse le térawatt (environ 1 200 GW fin 2022) !
❖ Les technologies cristallines à base de silicium restent très majoritairement utilisées (près de 95% du marché mondial des modules photovoltaïques où le monocristallin à lui seul représente environ 85 % des parts). Les rendements varient entre 19 et 22 % pour les modules de silicium monocristallin. En 2023, la technologie PERC représente 90% du marché des cellules monocristallines mais les technologies TOPCon et à hétérojonction (HJT) de plus en plus matures sont en passe de prendre le relai. La technologie TOPCon a fait une grande percée sur le marché fin 2023 et la tendance se confirme sur 2024. La puissance des modules à base de silicium est actuellement de 375 à 510 Wc pour les tailles de panneaux les plus standards.
❖ Les recherches et les nouvelles technologies mises au point ne cessent d’accroitre les performances et l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en électricité, les limites sont continuellement repoussées. De par le monde, le défi permanent à relever par les scientifiques et ingénieurs consiste à améliorer les cellules solaires en tous points : performances, rendement, dimensions des wafers, quantité de matériaux, connectiques, adaptabilité, robustesse…
La recherche s’attache au développement de techniques, technologies et procédés toujours plus performants. Or, les considérations économiques sont aussi cruciales que les considérations technologiques. Parvenir à rendre l’énergie solaire la plus compétitive et attractive possible constitue un objectif clé, la démocratisation de son usage nécessite inévitablement de produire des cellules solaires toujours moins chères et des modules plus puissants.
Et demain ?
♦ Inépuisable, disponible partout, renouvelable et éprouvée, la technologie photovoltaïque suscite de grands espoirs dans la lutte contre le changement climatique, elle est amenée à jouer un rôle majeur dans la transition énergétique et la production électrique décarbonée.
♦ Aujourd’hui, les équipements issus de la technologie photovoltaïque nous permettent de disposer d’une source d’énergie naturelle fiable, intarissable et abondante nous rendant plus autonomes et plus respectueux de l’environnement. Le solaire photovoltaïque devient une alternative énergétique prometteuse tournée vers un avenir plus rayonnant, le soleil est une richesse qui ouvre la voie à la durabilité…
➥ Voir article Le solaire photovoltaïque : les perspectives d’améliorations et les technologies d’avenir ?
Le solaire photovoltaïque a marqué notre histoire de son empreinte. Acsolue Energie vous a proposé de découvrir toutes les grandes étapes.
Quelles seront les étapes à venir ?
Acsolue Energie suit l’actualité pour écrire chaque nouvelle ligne de l’histoire du photovoltaïque …
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