L’énergie photovoltaïque

Qu’est-ce que l’énergie photovoltaïque? Le terme « photovoltaïque » désigne un phénomène physique. L’energie photovoltaïque est une énergie électrique renouvelable produite à partir de la transformation d'une partie du rayonnement solaires par les cellule photovoltaïque. les cellules photovoltaïques sont fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs produits à partir d’une matière première très pure (comme le silicium). Ces matériaux émettent des électrons lorsqu’ils sont soumis à l'action de la lumière. Ceux-ci sont éjectés du matériau et ils circulent dans un circuit fermé, produisant ainsi de l’électricité. Ses installation produise de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution. Ce processus ne nécessite aucun cycle thermodynamique intermédiaire, c'est-à-dire que le rayonnement est directement converti en électricité sans utilisation intermédiaire de la chaleur.

Histoire L'utilisation de l'énergie solaire remonte à l'Antiquité. Les Grecs allumaient en effet la flamme olympique grâce à un système de miroirs et les rayons du soleil. En 1839, la conversion de la lumière en électricité sera découverte par Edmond Becquerel et sera appelée l'effet photovoltaïque. En 1913 le premier brevet pour une cellule solaire, déposé par William Coblentz, ne pourra pas fonctionner. En 1916, Robert Millikan sera le premier à produire de l'électricité avec une cellule solaire, mais pendant les quarante années suivantes, personne ne fera beaucoup de progrès en énergie solaire car les cellules photovoltaïques ont un trop mauvais rendement pour transformer la lumière du soleil en énergie. Mais en 1954, trois chercheurs américains (Chapin, Pearson et Prince) mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement (9 %) et les Laboratoires Bell construisent le premier panneau solaire, qui était cependant trop coûteux pour être produit en série.

L’énergie solaire fit de grands progrès lors des lancers de satellites, cette énergie étant le seul moyen non-nuclaire de les alimenter. C’est, en effet, en 1958 qu’a lieu le premier lancement d’un satellite fonctionnant à l’énergie photovoltaïque. L'industrie spatiale investira donc beaucoup de fonds dans le développement des panneaux solaires: c'est la première utilisation importante de la technologie solaire photovoltaïque. Pendant les années 70 et 80 des efforts sont faits pour réduire les coûts de l’énergie photovoltaïque pour qu'elle soit également utilisable sur terre: l'énergie solaire connaîtra un second élan au cours du premier choc pétrolier dans les années 70. Quand le prix du pétrole augmente fortement, les panneaux solaires photovoltaïques commencent à être utilisés pour la première fois dans les maisons. En effet, en 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’université du Delaware et en 1983, la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie. Depuis, les panneaux solaires se sont développés lentement.

Pendant longtemps, les panneaux solaires ont été considérés comme des sources d'énergies alternatives. Mais l'énergie solaire est de nouveau en plein essor car on prévoit une pénurie de pétrole prochaine, on se préoccupe du réchauffement de la planète et les prix de l'énergie n'ont jamais été aussi hauts. L'énergie solaire devient une priorité pour de plus en plus de pays. Des centrales solaires sont en cours de construction dans le monde entier. Les entreprises d'électricité et les gouvernements ont offert des subventions et des réductions pour encourager les propriétaires à investir dans l'énergie solaire pour leur maison. En effet, en 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.

Fonctionnement L’effet photovoltaïque est la création de voltage ou de courant électrique dans un matériau après son exposition à la lumière. Quand la lumière du soleil (ou de n’importe quelle autre source) arrive sur la surface du matériau, les électrons de sa couche la plus extérieure (la couche dite de valence) absorbent de l’énergie, et, devenant excités (plus énergisés et donc bougeant plus) échappent à cette couche et deviennent libres.

Pour exploiter cet effet, on utilise deux couches de silicium, un élement dit semi-conducteur dont les quatre électrons de valence lui permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique. C’est pour cela que chaque couche est “dopée” par des atomes différents:  La couche du haut (qui reçoit la lumière) reçoit un dopage de type N, qui consiste à produire un excès d'électrons par l’addition de phosphore; La couche du bas reçoit un dopage de type P, qui consiste à produire un déficit d'électrons par l’addition de bore.

Ainsi, l’énergie ajoutée par la lumière du soleil déplace des électrons de la couche du haut vers la couche du bas. Cependant, certains électrons ne peuvent pas revenir à leur état initial (en remplissant un des “trous” de la couche du bas), formant donc un courant électrique continu. Note: Ce courant est direct et nécessite un onduleur pour le transformer en courant alternatif, qui est la forme de courant utilisée par tous les appareils électroniques d’aujourd’hui.

Les differents types de cellules photovoltaïques Les modules solaires monocristallins: ils possèdent le meilleur rendement au m². Ils sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints puisque leur coût est plus élevé que celui des autres types de cellules. Les modules solaires polycristallins: ils ont actuellement le meilleur rapport entre la qualité et le prix. C'est pour cela que ce sont les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans). Les modules solaires amorphes: ce sont les moins chèrs à produire, mais aussi les moins efficaces. Le silicium amorphe possède en effet un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin.

Economie Le prix du kWh produit par une installation solaire photovoltaïque dépend des coûts fixes liés à l'investissement initial (achat du matériel et travaux), de la quantité de rayonnement solaire reçu par l'installation, du rendement de l'installation et surtout de la durée prise en compte pour l'amortissement de l'investissement. Pour un calcul plus précis, il faudrait tenir compte de la durée de vie moyenne de l'onduleur (très probablement comprise entre 10 et 20 ans pour une installation domestique). Par exemple, avec une durée de 10 ans : Pour une installation domestique de 3 kW produisant 3 000 kWh/an, et ayant coûté 6 €/W, le kWh coûtait, en 2009, 58 centimes ; le coût descend à 40 centimes si on obtient 4 500 kWh/an (zone bien ensoleillée, comme en Corse par exemple) et monte à 72 centimes si la production n'est que 2 500 kWh/an (zone moins ensoleillée : nord de la France, Belgique) ;

Pour une centrale solaire telle que celle d'Amareleja (Portugal), ayant coûté 261 millions d'euros et produisant 93 GWh/an, soit 2,8 € par kWh et par an, le coût du kWh peut être estimé à 28 centimes ; Pour le projet (à échéance 2015) de centrale photovoltaïque à concentration de Mildura en Australie, d'une puissance de 154 MW et produisant 270 GWh par an pour un investissement initial de 420 millions de dollars australiens (320 millions d'euros), le coût prévisionnel peut être estimé à 12 c€/kWh. De toutes les énergies renouvelables, le kWh photovoltaïque est (en 2008) de loin le plus cher (20 à 25 centimes pour une centrale et environ 40 centimes pour une bonne installation individuelle en France, contre 7 à 8 pour l'éolien par exemple). Cela donnait début 2010 un tarif d'achat de 7,4 à 10,4 fois supérieur pour le photovoltaïque en comparaison des prix actuels du marché.

La technique photovoltaïque présente cependant des possibilités de réduction de coûts beaucoup plus grandes que toutes les autres. De plus, il faut tenir compte des économies sur le réseau électrique induites par des installations décentralisées de production d'électricité. Ces facteurs justifient l’intérêt pour le photovoltaïque et expliquent qu'il bénéficie d'incitations gouvernementales lui permettant de se développer en dépit de coûts plus importants que toutes les autres, développement qui est d'ailleurs une des conditions à la baisse des coûts.

Utilisations Jusqu'à une dizaine d'années auparavant, l’énergie photovoltaïque était utilisée fréquemment pour les calculatrices et autres petits dispositifs. Mais des améliorations dans les circuits intégrés de puissance ont permis à la charge de tels dispositifs de durer plusieurs années entre les changements de batterie, rendant moins fréquente l’utilisation de cette énergie. En revanche, l’énergie solaire a eu une utilisation croissante récemment dans des endroits où le coût de connexion au réseau électrique est trop important. De telles applications comprennent les pompes à eau, les parcmètres, les téléphones d'urgence, les compacteurs de déchets et les panneaux de signalisation temporaires. Les panneaux solaires sont aussi utilisés pour alimenter en électricité des sites isolés et difficiles d’accès, par exemple des régions montagneuses.  

Dans ces cas, il est intéressant d’installer des panneaux solaires car ceux-ci ne demandent que très peu, voire aucun entretien. L’énergie photovoltaïque est rarement utilisée pour donner de la force motrice dans les divers transports, mais elle est utilisée comme source d’énergie auxiliaire dans certains bateaux et voitures. Un véhicule autonome solaire aurait un pouvoir limité et une faible utilité, mais un véhicule solaire à charge permettrait l'utilisation de l'énergie solaire pour le transport. En effet, des voitures solaires ont déjà été mises en évidence. Finalement, l’énergie photovoltaïque est utilisée pour obtenir de l'énergie électrique dans l'espace.

Avantages L’énergie solaire est complètement renouvelable: le Soleil n’arrêtera pas d’illuminer la Terre. Les 89 PW de lumière solaire atteignant la surface de la Terre par jour sont abondants - près de 6000 fois plus que les 15 TW consommés en moyenne par les humains. De plus, la production d'électricité solaire a la plus forte densité de puissance possible (moyenne globale de 170 W/m2) parmi les énergies renouvelables.   L'énergie solaire est non polluante pendant son utilisation; des technologies de recyclage en fin d'utilisation sont en cours de développement et des politiques qui encouragent le recyclage des producteurs sont en train d’être implantées.  

Les installations photovoltaïques peuvent fonctionner pendant de nombreuses années avec peu d'entretien ou d'intervention après leur mise en place initiale, donc après le coût initial de la construction d'une centrale solaire, les coûts d'exploitation sont extrêmement faibles par rapport aux technologies électriques existantes.  Par rapport aux sources d'énergie fossiles et nucléaires, très peu de ressources ont été investies dans le développement de cellules solaires, de sorte qu'il y a place à l'amélioration. Néanmoins, des cellules solaires expérimentales ont déjà des rendements de plus de 40% et cette efficacité est en train d’augmenter rapidement alors que les coûts de leur production en masse sont en diminution.

Les risques sur l’environnement Si l'électricité produite par une installation photovoltaïque est sans pollution, la fabrication, l'installation et l'élimination des panneaux ont un impact sur l'environnement. Pour cette raison, les différents gouvernements mettent progressivement en place des obligations d'intégrer le démantèlement et le recyclage des installations en fin de vie. Les panneaux solaires photovoltaïque, contient des éléments facilement inflammable, meme si sont isolation est de classe II (isolation renforcée), comme toutes appareils électroniques que l'on brule, sont isolation termine par s'abime et il peut faciliter la propagation de l'incendie, mais ne peut pas le commencer.

Conclusion Le photovoltaïque est en plein essor, elle permet beaucoup d’avantages pour les systèmes isolés. Le rendement a beaucoup augmenté depuis les débuts du PV. Mais aujourd’hui, les chercheurs se tournent davantage vers l’amélioration de la durée de vie des panneaux. Malgré tout, elle ne s’est pas encore imposée comme l’énergie du futur.