Lundi 7 novembre 2011

L’électricité, fille du soleil

Daniel Lincot
Myriam Paire

IRDEP - Chimie ParisTech

En 1839, le physicien français Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque, c’est-à-dire la conversion de la lumière en électricité. Mais ce n’est qu’en 1954 qu’apparaissent, dans les Laboratoires Bell, des cellules solaires efficaces.

Le soleil nous envoie sous forme de lumière une énergie considérable, qui représente environ 1,3 MWh par m² et par an en France, soit environ l’équivalent d’un baril de pétrole (159 l) par an et par m² en France, pendant des millénaires nous avons utilisé cette énergie sous des formes dérivées telle que la biomasse, le vent, puis plus récemment le charbon et le pétrole…jusqu’au début des années 1950 avec la mise au point des premières cellules photovoltaïques efficaces, utilisées dès 1958 pour les satellites, ou pour la première fois l’énergie des photons était convertie à la source même du processus d’absorption de la lumière directement en électricité. La conversion photovoltaïque de l’énergie solaire était née et se développe de depuis à un rythme de plus en plus soutenu au point qu’on ose maintenant imaginer une utilisation à grande échelle dans la décade à venir. Cette conférence se propose de montrer et d’illustrer tout le chemin parcouru, des laboratoires à la toiture des premiers bâtiments à énergie positive et aux fermes solaires. Nous illustrerons également par des expériences très simples l’effet photovoltaique et le fonctionnement des cellules solaires, qu’il s’agisse de cellules classiques au silicium aux nous dispositifs utilisant des concepts proches de la photosynthèse.

Répartititon de l' énergie solaire incidente en Europe, exprimée en kilowattheures par mètre carré et par an. Un carré de 25 kilomètres de côté près de Perpignan reçoit chaque année l’équivalent de la production totale d’électricité en France (environ 550 milliards de kilowattheures).

La conversion directe des photons en électrons a également l’intérêt – essentiel – d’être dispensée de cycle thermique intermédiaire: aucun fluide ni turbine ne sont nécessaires, faisant de ce mode de production une source d’énergie simple et robuste.

Séparer les électrons des trous
Pour convertir les photons en électricité, on utilise des cellules solaires constituées de semi-conducteurs. Ces matériaux sont dotés d’une bande d’énergie interdite, nommée gap, dont la largeur dépend de la nature chimique et de la structure du matériau. Ce gap, exprimé en électronvolts (eV), vaut 1,1 eV pour le silicium cristallin, de 1,7 à 1,9 eV pour le silicium amorphe hydrogéné… Un photon est absorbé par un semi-conducteur quand son énergie (également exprimée en eV) est supérieure au gap, sinon il le traverse. Lorsque le photon est absorbé, il cède son énergie à un électron qui passe de la bande de valence à la bande de conduction en laissant derrière lui un « trou » : il crée une paire électron-trou.
Pour créer une puissance électrique, on doit séparer les électrons et les trous. Pour cela, on utilise une jonction p-n constituée par le contact entre un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n. Ces deux types sont obtenus en introduisant dans le silicium de petites quantités respectivement de bore et de phosphore.

Production
De négligeable il y a quelques années, la part de la production photovoltaïque dans les bilans énergétiques passe de moins en moins inaperçue, grâce à un taux de croissance annuel d’environ 40 pour cent. Avec un tel rythme, elle pourrait représenter de 4 à 12 pour cent de la production d’électricité en Europe en 2020.

Prévisions : entre 4 et 12 % de la production électrique européenne en 2020

LE TEXTE EST TIRÉ DU DOSSIER N°69 / OCTOBRE-DÉCEMBRE 2010 / © POUR LA SCIENCE