PHOTOVOLTAÏQUE

Le domaine des sciences et techniques photovoltaïques qui permettent la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique a pris une importance considérable dans le contexte de la transition énergétique imposée par la crise climatique. Les cellulesphotovoltaïquesen sont les composants fondamentaux. Le principe de leur fonctionnement est une forme d’effet photoélectrique dans lequel un rayonnement lumineux incident à un matériau excite des électrons, ce qui se traduit par l’apparition de forces électromotrices dans le milieu en général semi-conducteur d’une cellule photovoltaïque : on assiste donc à une conversion directe d’énergie lumineuse en énergie électrique.

De la découverte aux applications de l’effet photovoltaïque

L’histoire de l’effet photovoltaïque débute en 1839 quand Antoine Becquerel (1788-1878) et son fils Edmond (1820-1891) montrent qu’une pile constituée d’une électrode de platine et d’une autre couverte de sels d’argent immergées dans une solution électrolytique produit davantage d’électricité quand elle est illuminée par une lumière bleue ou ultraviolette. Après la découverte de l’effet de la lumière sur le sélénium en 1873 – la résistance du sélénium diminue lorsque la luminosité augmente –, cet effet photovoltaïque est appliqué avec succès par l’ingénieur américain Charles Fritts (1850-1903) qui construit en 1884 la première véritable cellule solaire à partir d’une lame de sélénium recouverte d’une fine couche d’or. La très faible efficacité de ce montage (moins de 1 %) interdit alors toute exploitation industrielle de ce procédé en dépit des espoirs qu’il suscite.

Comme pour l’effet photoélectrique, la compréhension physique du phénomène nécessite la mise en œuvre des concepts quantiques, et en particulier l’identification en 1905 par Albert Einstein (1879-1955) des quanta lumineux – les photons –, responsables des caractéristiques particulières de cette conversion. Celle-ci n’est en effet possible que lorsque la fréquence de l’onde lumineuse incidente dépasse une valeur – le seuil – dépendant du matériau.

Les premières cellules solaires d’intérêt pratique sont construites dans les années 1950 par les ingénieurs de la société américaine Bell Telephone (qui avait breveté une première cellule solaire à base de silicium en 1941) et sont utilisées dans les satellites envoyés dans l’espace par la NASA. Jusqu’aux années 1970, elles ne sont mises en service que sur des équipements autonomes. Leurs connexions à des réseaux électriques dans les années 2000 font changer d’échelle leur part de la production d’électricité au niveau mondial et accélèrent la recherche industrielle dans le domaine du photovoltaïque. Les progrès déjà réalisés au niveau technique et les investissements considérables consacrés à ce domaine, souvent avec l’aide d’importantes subventions d’État, laissent entrevoir un brillant futur à la filière. Des difficultés majeures restent cependant à surmonter, aussi bien du côté des matières premières que des nouveaux défis écologiques liés aux difficultés de stockage de l’énergie solaire.