Cellules solaires

Maintenant pour plus de détails…

C’est une introduction de base aux cellules solaires — et si c’est tout ce que vous vouliez, vous pouvez vous arrêter ici.Le reste de cet article va plus en détail sur les différents types de cellules solaires, commentles gens mettent l’énergie solaire à un usage pratique et pourquoi l’énergie solaire prend tant de temps à s’allumer.

Quelle est l’efficacité des cellules solaires?

Graphique: Efficacité des cellules solaires comparées: La toute première cellule solaire a atteint un rendement de seulement 6%; la plus efficace qui ait été produite à ce jour a réussi 46% en conditions de laboratoire. La plupart des cellules sont des types de première génération qui peuvent gérer environ 15% en théorie et probablement 8% en pratique.

Une règle de base de la physique appelée loi de conservation de l’énergie dit que nous ne pouvons pas créer de l’énergie par magie ou la faire disparaître en air mince; tout ce que nous pouvons faire est de la convertir d’une forme à une autre. Cela signifie qu’une cellule solaire ne peut pas produire plus d’énergie électrique qu’elle ne reçoit chaque seconde de lumière. En pratique, comme nous le verrons bientôt, la plupart des cellules convertissent environ 10 à 20% de l’énergie qu’elles reçoivent en électricité. Une cellule solaire de silicium à jonction unique typique a une efficacité maximale théorique d’environ 30%, connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser. C’est essentiellement parce que sunlight contient un large mélange de photons de différentes longueurs d’onde et d’énergies et toute cellule solaire à jonction unique sera optimisée pour capter des photons uniquement dans une certaine bande de fréquence, gaspillant le reste.Certains des photons frappant une cellule solaire n’ont pas assez d’énergie pour éliminer les électrons, ils sont donc efficacement gaspillés, tandis que certains ont trop d’énergie et l’excès est également gaspillé. Les cellules de laboratoire les plus à la pointe de la technologie peuvent gérer 46% d’efficacité dans des conditions absolument parfaites en utilisant plusieurs jonctions pour capter des photons d’énergies différentes.

Les panneaux solaires domestiques dans le monde réel pourraient atteindre une efficacité d’environ 15%, un point de pourcentage ici ou là, et il est peu probable que cela s’améliore.Les cellules solaires à jonction unique de première génération n’approcheront pas les 30% d’efficacité de la limite de Shockley-Queisser, peu importe le record de laboratoire de 46%. Toutes sortes de facteurs réels gênants vont affecter l’efficacité nominale, y compris la construction des panneaux, la façon dont ils sont positionnés et emmêlés, s’ils sont toujours dans l’ombre, à quel point vous les gardez propres, à quel point ils sont chauds (l’augmentation des températures a tendance à réduire leur efficacité) et s’ils sont ventilés (permettant à l’air de circuler en dessous) pour les garder au frais.

Types de cellules solaires photovoltaïques

La plupart des cellules solaires que vous verrez sur les toits des gens aujourd’hui ne sont essentiellement que des sandwichs au silicium, spécialement traités (« dopés ») pour en faire de meilleurs conducteurs électriques. Les scientifiques se réfèrent à ces cellules solaires classiques comme étant de première génération, en grande partie pour les différencier de deux technologies différentes plus modernes connues sous le nom de deuxième et troisième génération. Alors, quelle est la différence?

Première génération

Photo: Une collection colorée de cellules solaires de première génération.Photo gracieuseté du Centre de recherche Glenn de la NASA (NASA-GRC).

Environ 90% des cellules solaires du monde sont fabriquées à partir de wafers de silicium cristallin (en abrégé c-Si), tranchés à partir de gros lingots, qui sont cultivés dans des laboratoires super-propres dans un processus qui peutprendre jusqu’à un mois pour terminer. Les lingots se présentent soit sous la forme de cristaux uniques (monocristallins ou mono-Si), soit contiennent de multiples cristaux (polycristallins, multi-Si ou poly c-Si). Les cellules solaires de première génération fonctionnent comme dans la boîte ci-dessus: ils utilisent une seule jonction simple entre les couches de silicium de type n et de type p, qui sont découpées à partir de lingots séparés. Ainsi, un lingot de type n serait fabriqué en chauffant des morceaux de silicium avec de petites quantités de phosphore, d’antimoine ou d’arsenic comme dopant, tandis qu’un lingot de type p utiliserait le bore comme dopant.Des tranches de silicium de type n et de type p sont ensuite fusionnées pour faire la jonction. Quelques cloches et sifflets supplémentaires sont ajoutés (comme un revêtement antireflet, qui améliore l’absorption de la lumière et donne aux cellules photovoltaïques leur couleur bleue caractéristique, un verre de protection sur le devant et un support en plastique, et des connexions métalliques pour que la cellule puisse être câblée dans un circuit), mais une simple jonction p-n est l’essence de la plupart des cellules solaires. C’est à peu près ainsi que toutes les cellules solaires photovoltaïques au silicium ont fonctionné depuis 1954, lorsque les scientifiques du laboratoire Bell ont mis au point la technologie: la lumière du soleil sur le silicium extrait de sable, ils ont généré de l’électricité.

Cellule solaire flexible à couche mince de deuxième génération

Photo: Un panneau solaire de deuxième génération à couche mince. »Le film générateur d’énergie est fabriqué à partir de silicium amorphe, fixé à un support en plastique mince, flexible et relativement peu coûteux (le « substrat »).Photo de Warren Gretz avec l’aimable autorisation de NREL (image id #6321083).

Les cellules solaires classiques sont des plaquettes relativement minces – généralement une afraction d’un millimètre de profondeur (environ 200 micromètres, 200 µm environ).Mais ce sont des dalles absolues par rapport aux cellules de deuxième génération, communément appelées cellules solaires à couche mince (TPSC) ou photovoltaïques à film mince (TFPV), qui sont à nouveau 100 fois plus fines (plusieurs micromètres ou millionièmes de mètre de profondeur).Bien que la plupart soient encore fabriqués à partir de silicium (une forme différente connue sous le nom de silicium amorphe, a-Si, dans laquelle les atomes sont disposés de manière aléatoire au lieu d’être ordonnés avec précision dans une structure cristalline régulière), certains sont fabriqués à partir d’autres matériaux, notamment le tellurure de cadmium (Cd-Te) et le diséléniure de gallium d’indium de cuivre (CIGS). Parce qu’elles sont extrêmement minces, légères et flexibles, les cellules solaires de deuxième génération peuvent être laminées sur les fenêtres, les puits de lumière, les tuiles et toutes sortes de « substrats » (matériaux de support), y compris les métaux, le verre et les polymères (plastiques). Si les cellules de deuxième génération gagnent en flexibilité, elles sacrifient leur inefficacité: les cellules solaires classiques de première génération les surpassent toujours. Ainsi, alors qu’une cellule de première génération de premier ordre pourrait atteindre une efficacité de 15 à 20%, le silicium amorphe peine à dépasser 7%, les meilleures cellules Cd-Te à couche mince ne gèrent qu’environ 11% et les cellules CIGS ne font pas mieux que 7 à 12%. C’est l’une des raisons pour lesquelles, malgré leurs avantages pratiques, les cellules de deuxième génération ont jusqu’à présent eu relativement peu d’impact sur le marché solaire.

Cellules solaires en polymère organique de troisième génération

Photo: Cellules solaires en plastique de troisième génération produites par des chercheurs du Laboratoire National des énergies renouvelables.Photo de Jack Dempsey avec l’aimable autorisation de NREL (id d’image #6322357).

Les dernières technologies combinent les meilleures caractéristiques des cellules de première et deuxième génération. Comme les cellules de première génération, elles promettentefficacités relativement élevées (30% ou plus). Comme les cellules de deuxième génération, elles sont plus susceptibles d’être fabriquées à partir de matériaux autres que le silicium « simple », tels que le silicium amorphe, les polymères organiques (fabrication de photovoltaïques organiques, OPV), les cristaux de pérovskite et comportent de multiples jonctions (fabriquées à partir de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs différents). Idéalement, cela les rendrait moins chères, plus efficaces et plus pratiques que les cellules de première ou de deuxième génération.Actuellement, le record mondial d’efficacité pour solaris de troisième génération de 28%, atteint par une cellule solaire en tandem pérovskite-silicium en décembre 2018.

Quelle puissance pouvons-nous produire avec des cellules solaires?

En théorie, une quantité énorme. Oublions les cellules solaires pour le momentet considérez simplement la lumière du soleil pure. Jusqu’à 1000 watts d’énergie solaire brute par mètre carré de Terre pointant directement vers le Soleil (c’est la puissance théorique de la lumière directe du soleil de midi le jour sans nuage — les rayons solaires tirant perpendiculairement à la surface de la Terre et donnant un éclairage ou une insolation maximum, comme on le sait techniquement). En pratique, une fois que nous avons corrigé l’inclinaison de la planète et l’heure de la journée, le meilleur que nous pouvons obtenir est de 100 à 250 watts par mètre carré sous les latitudes septentrionales typiques (même par jour sans nuages). Cela se traduit par environ 2 à 6 kWh par jour (selon que vous soyez dans une région du nord comme le Canada ou la terre-Neuve ou dans un endroit plus contraignant comme l’Arizona ou le Mexique).En multipliant la production pour une année entière, nous obtenons quelque part entre 700 et 2500 kWh par mètre carré (700-2500 unités d’électricité). Les régions les plus chaudes ont clairement un potentiel solaire beaucoup plus élevé: le Moyen–Orient, par exemple, reçoit chaque année environ 50 à 100% plus d’énergie solaire utile que l’Europe.

Malheureusement, les cellules solaires typiques ne sont efficaces que d’environ 15%, nous ne pouvons donc capturer qu’une fraction de cette énergie théorique. C’est pourquoi les panneaux solaires doivent être si grands: la quantité d’énergie que vous pouvez produire est évidemment directement liée à la superficie que vous pouvez vous permettre de couvrir avec des cellules. Une seule cellule solaire (à peu près la taille d’un disque compact) peut générer environ 3 à 4,5 watts; un module solaire typique fabriqué à partir d’un réseau d’environ 40 cellules (5 rangées de 8 cellules) pourrait produire environ 100 à 300 watts; plusieurs panneaux solaires, fabriqués chacun à partir d’environ 3-4 modules, pourraient donc générer un maximum absolu de plusieurs kilowatts (probablement juste assez pour répondre aux besoins en énergie électrique d’une maison).

Qu’en est-il des fermes solaires ?

Photo: Le vaste projet de production d’énergie solaire Alamosa de 91 hectares (225 acres) dans le Colorado génère jusqu’à 30 mégawatts d’énergie solaire à l’aide de trois astuces astucieuses. Premièrement, il existe un grand nombre de panneaux photovoltaïques (500 d’entre eux, chacun pouvant faire 60 kW). Chaque panneau est monté sur un ensemble rotatif séparé pour pouvoir suivre le Soleil dans le ciel.Et chacun a plusieurs lentilles de Fresnel montées sur le dessus pour concentrer les rayons du Soleil sur ses cellules solaires.Photo de Dennis Schroeder avec l’aimable autorisation de NREL (id d’image #10895528).

Mais supposons que nous voulions faire de très grandes quantités de solarpower. Pour générer autant d’électricité qu’une éolienne lourde (avec une puissance de pointe de peut–être deux ou trois mégawatts), vous avez besoin d’environ500 à 1000 toits solaires. Et pour rivaliser avec une grande centrale à charbon ou nucléaire (évaluée en gigawatts, ce qui signifie des milliers de mégawatts ou des milliards de watts), il en faudrait encore 1000 fois plus — l’équivalent d’environ 2000 éoliennes ou peut-être d’un million de toits solaires. (Ces comparaisons supposent que notre énergie solaire et éolienne produit une production maximale.) Même si les cellules solaires sont des sources d’énergie propres et efficaces, une chose qu’elles ne peuvent pas vraiment prétendre être pour le moment est l’efficacité des terres. Même ces énormes fermes solaires qui poussent maintenant partout ne produisent que de modestes quantités d’énergie (généralement environ 20 mégawatts, soit environ 1% comme une grande centrale à charbon ou nucléaire de 2 gigawatts). La société britannique Ecotricity a estimé qu’il fallait environ 22 000 panneaux posés sur un site de 12 hectares (30 acres) pour générer 4,2 mégawatts d’énergie, soit à peu près autant que deux grandes éoliennes et suffisamment pour alimenter 1 200 foyers.

De l’énergie à la population

Photo: Une micro-éolienne et un panneau solaire fonctionnent ensemble pour alimenter une batterie de batteries qui maintiennent ce panneau d’avertissement de construction d’autoroute allumé jour et nuit. Le panneau solaire est monté, face au ciel, sur le « couvercle » jaune plat que vous pouvez voir juste au-dessus de l’écran.

Certaines personnes craignent que les fermes solaires engloutissent des terres nécessaires à une véritable agriculture et à une production alimentaire. S’inquiéter de land-take manque un point crucial si nous parlons de mettre des panneaux solaires sur les toits domestiques. Les écologistes affirmeraient que le véritable intérêt de l’énergie solaire n’est pas de créer de grandes centrales solaires centralisées (de sorte que les services publics puissants peuvent continuer à vendre de l’électricité à des personnes impuissantes à un profit élevé), mais de déplacer des centrales électriques centralisées inefficaces en permettant aux gens de se faire de l’électricité à l’endroit même où ils l’utilisent. Cela élimine l’inefficacité de la production d’énergie à combustibles fossiles, la pollution de l’air et les émissions de dioxyde de carbone qu’ils produisent, et supprime également l’inefficacité de la transmission de l’énergie du point de production au point d’utilisation par des lignes électriques aériennes ou souterraines. Même si vous deviez couvrir tout votre toit avec des panneaux solaires (ou des cellules solaires à couche mince stratifiées sur toutes vos fenêtres), si vous pouviez répondre à tous vos besoins en électricité (ou même à une grande fraction d’entre eux), peu importe: votre toit n’est de toute façon qu’un espace perdu.Selon un rapport de 2011 de l’Association Européenne de l’industrie photovoltaïque et de Greenpeace, il n’est pas vraiment nécessaire de couvrir les terres agricoles de valeur avec des panneaux solaires: environ 40% de tous les toits et 15% des façades des bâtiments dans les pays de l’UE conviendraient aux panneaux PVP, ce qui représenterait environ 40% de la demande totale d’électricité d’ici 2020.

Il est important de ne pas oublier que l’énergie solaire déplace la production d’énergie vers le point de consommation d’énergie — et cela présente de grands avantages pratiques. Les montres-bracelets et les calculatrices à énergie solaire n’ont théoriquement pas besoin de piles (en pratique, elles ont des piles de secours) et beaucoup d’entre nous apprécieraient les smartphones à énergie solaire qui n’ont jamais eu besoin de se charger. Les panneaux de signalisation routière et ferroviaire sont parfois alimentés à l’énergie solaire; les panneaux d’entretien d’urgence clignotants sont souvent équipés de panneaux solaires pour pouvoir être déployés même dans les endroits les plus reculés. Dans les pays en développement, riches en lumière solaire mais pauvres en infrastructures électriques, les panneaux solaires alimentent les pompes à eau, les cabines téléphoniques et les réfrigérateurs des hôpitaux et des cliniques de santé.

Pourquoi l’énergie solaire n’a-t-elle pas encore pris?

La réponse à cela est un mélange de facteurs économiques, politiques et technologiques. Du point de vue économique, dans la plupart des pays, l’électricité produite par les panneaux solaires reste plus chère que l’électricité produite par la combustion de combustibles fossiles sales et polluants. Le monde investit énormément dans les infrastructures de combustibles fossiles et, bien que de puissantes compagnies pétrolières se soient adonnées à des ramifications d’énergie solaire, elles semblent beaucoup plus intéressées à prolonger la durée de vie des réserves de pétrole et de gaz existantes avec des technologies telles que la fracturation hydraulique (fracturation hydraulique). Politiquement, les compagnies pétrolières, gazières et charbonnières sont extrêmement puissantes et influentes et résistent au genre de réglementations environnementales qui favorisent les technologies renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne. Technologiquement, comme nous l’avons déjà vu, les cellules solaires sont un « travail en cours » permanent et une grande partie de l’investissement solaire mondial repose toujours sur la technologie de première génération. Qui sait, il faudra peut-être encore plusieurs décennies avant que les récentes avancées scientifiques rendent l’analyse de rentabilisation du solaire vraiment convaincante?

Un problème avec des arguments de ce genre est qu’ils ne pèsent que des facteurs économiques et technologiques de base et ne prennent pas en compte les coûts environnementaux cachés de choses comme les déversements de pétrole, la pollution atmosphérique, la destruction des terres par l’extraction du charbon ou le changement climatique — et surtout les coûts futurs, difficiles ou impossibles à prévoir. Il est parfaitement possible que la prise de conscience croissante de ces problèmes accélère le passage aux combustibles fossiles, même s’il n’y a pas d’autres avancées technologiques; en d’autres termes, le moment peut venir où nous ne pouvons plus nous permettre de reporter l’adoption universelle des énergies renouvelables. En fin de compte, tous ces facteurs sontinterreliés. Avec un leadership politique convaincant, le monde pourrait s’engager demain dans une révolution solaire: la politique pourrait forcer des améliorations technologiques qui modifient l’économie de l’énergie solaire.

Et l’économie seule pourrait suffire. Le rythme de la technologie, les innovations dans la fabrication et les économies d’échelle continuent de faire baisser le coût des cellules et des panneaux solaires. Rien qu’entre 2008 et 2009, selon l’analyste de l’environnement de la BBC, Groger Harrabin, les prix ont chuté d’environ 30% et la domination croissante de la Chine dans la fabrication d’énergie solaire a continué de les faire baisser depuis.Entre 2010 et 2016, le coût du photovoltaïque à grande échelle a chuté d’environ 10 à 15% par an, selon l’Administration américaine de l’information sur l’énergie; dans l’ensemble, le prix du passage au solaire a chuté d’environ 90% au cours de la dernière décennie, renforçant encore l’emprise de la Chine sur le marché. Six des dix premiers fabricants de panneaux solaires au monde sont désormais chinois; en 2016, environ les deux tiers de la nouvelle capacité solaire américaine provenaient de Chine, de Malaisie et de Corée du Sud.

Photo: Les cellules solaires ne sont pas le seul moyen de produire de l’énergie à partir de la lumière du soleil — ou même, nécessairement, le meilleur moyen. Nous pouvons également utiliser l’énergie solaire thermique (absorbant la chaleur de la lumière du soleil pour chauffer l’eau de votre maison), l’énergie solaire passive (concevant un bâtiment pour absorber la lumière du soleil) et les capteurs solaires (illustrés ici). Dans cette version, 16 mirrorscollectent la lumière du soleil et la concentrent sur un moteur Stirling (la boîte grise à droite), qui est un producteur de puissance extrêmement efficace. Photo de Warren Gretz avec l’aimable autorisation de NREL (image id #6323238).

Rattrapage rapide ?

Le point de basculement de l’énergie solaire devrait arriver lorsqu’elle pourra atteindre ce qu’on appelle la parité du réseau, ce qui signifie que l’électricité solaire que vous fabriquez vous-même devient aussi bon marché que l’électricité que vous achetez sur le réseau. De nombreux pays européens s’attendent à atteindre cette étape d’ici 2020. Le solaire a certes affiché des taux de croissance très impressionnants ces dernières années, mais il est important de se rappeler qu’il ne représente encore qu’une fraction de l’énergie mondiale totale. Au Royaume-Uni, par exemple, l’industrie solaire s’est vantée d’une « réalisation importante » en 2014 lorsqu’elle a presque doublé la capacité totale des panneaux solaires, passant d’environ 2,8 GW à 5 GW. Mais cela ne représente encore que quelques grandes centrales et, à une production maximale, à peine 8% de la demande totale d’électricité du Royaume-Uni d’environ 60 GW (en tenant compte de choses telles que la clarté, cela la réduirait à une fraction de 8%).

Selon la US Energy Information Administration, aux États-Unis, où la technologie photovoltaïque a été inventée, en 2018, le solaire ne représente que 1,6% de la production totale d’électricité du pays.C’est environ 23% de plus qu’en 2017 (lorsque le solaire était de 1,3%), 80% de plus qu’en 2016 (lorsque le chiffre était de 0,9%) et environ quatre fois plus qu’en 2014 (lorsque le solaire ne représentait que 0,4%).Malgré cela, c’est encore environ 20 fois moins que le charbon et 40 fois moins que tous les combustibles fossiles. En d’autres termes, même une multiplication par 10 du solaire américain permettrait de produire pas plus de la moitié moins d’électricité que le charbon aujourd’hui (10 × 1,6 = 16%, contre 27,4% pour le charbon en 2018). Il est intéressant de noter que deux des principales revues annuelles mondiales de l’énergie, la BP Statistical Review of World Energy et les principales statistiques mondiales de l’énergie de l’Agence internationale de l’énergie, mentionnent à peine solarpower, sauf en note de bas de page.

Graphique: L’énergie solaire produit chaque année plus d’électricité, mais reste loin d’être aussi proche que le charbon. Ce graphique compare le pourcentage d’électricité produite aux États-Unis par solarpower (ligne verte) et le charbon (ligne rouge). La situation est meilleure que celle-ci dans certains pays et pire dans d’autres.Dessiné par explainthatstuff.com en utilisant les données historiques et actuelles de l’Administration américaine de l’information sur l’énergie.

Cela va-t-il changer de sitôt? Ça pourrait bien. Selon un article publié en 2016 par des chercheurs de l’Université d’Oxford, le coût de l’énergie solaire diminue maintenant si vite qu’il est en passe de fournir 20% des besoins énergétiques mondiaux d’ici 2027, ce qui serait un changement par rapport à ce que nous en sommes aujourd’hui, et un taux de croissance beaucoup plus rapide que ce que quiconque avait précédemment prévu. Ce rythme de croissance peut-il se poursuivre? Le solaire pourrait-il vraiment faire une différence dans le changement climatique avant qu’il ne soit trop tard? Surveillez cet espace!

Une brève histoire des cellules solaires

• 1839: Le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel (père du pionnier de la radioactivité Henri Becquerel) découvre que certains métaux sont photoélectriques : ils produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière.
• 1873: L’ingénieur anglais Willoughby Smith découvre que le sélénium est un photoconducteur particulièrement efficace (il est plus tard utilisé par Chester Carlson dans son invention du photocopieur).
• 1905: Le physicien d’origine allemande Albert Einstein découvre la physique de l’effet photoélectrique, une découverte qui lui vaut finalement un prix Nobel.
• 1916: Le physicien américain Robert Millikan prouve expérimentalement la théorie d’Einstein.
• 1940: Russell Ohl de Bell Labs découvre accidentellement qu’un semi-conducteur à jonction dopée produira un courant électrique lorsqu’il est exposé à la lumière.
• 1954: Les chercheurs des Bell Labs Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson fabriquent la première cellule solaire photovoltaïque au silicium pratique, efficace à environ 6% (une version ultérieure gère 11%). Ils annoncent leur invention – initialement appelée « batterie solaire » – le 25 avril.
• 1958: Les satellites spatiaux Vanguard, Explorer et Spoutnik commencent à utiliser des cellules solaires.
• 1962: 3600 des batteries solaires de Bell sont utilisées pour alimenter Telstar, le satellite de télécommunications pionnier.
• 1997: Le gouvernement fédéral américain annonce son initiative Million Solar Roofs – pour construire un million de toits à énergie solaire d’ici 2010.
• 2002 : La NASA lance son avion solaire Pathfinder Plus.
• 2009: Les scientifiques découvrent que les cristaux de pérovskite ont un grand potentiel en tant que matériaux photovoltaïques de troisième génération.
• 2014: Une collaboration entre des scientifiques allemands et français produit un nouveau record d’efficacité de 46% pour une cellule solaire à quatre jonctions.
• 2020: Les cellules solaires devraient atteindre la parité du réseau (l’électricité générée par l’énergie solaire que vous fabriquez vous-même sera aussi bon marché que l’électricité que vous achetez sur le réseau).
• 2020: Les cellules pérovskite-silicium promettent une forte augmentation de l’efficacité solaire.