L'histoire du photovoltaïque, comment les premiers panneaux solaires ont été créés
Découvertes, expériences et théories
L'histoire du photovoltaïque commence avec la découverte de l'effet photoélectrique. La conclusion selon laquelle le courant entre des électrodes métalliques immergées dans une solution (liquide) varie avec l'intensité de l'éclairement a été présentée à l'Académie française des sciences lors de sa séance du lundi 29 juillet 1839 par Alexandre Edmond Becquerel. Il a ensuite publié un article.
Son père, Antoine César Becquerel, est parfois appelé le découvreur. Cela peut être dû au fait qu'Edmond Becquerel n'avait que 20 ans au moment de la publication et travaillait toujours dans le laboratoire de son père.
Le grand scientifique écossais James Clerk Maxwell faisait partie des nombreux scientifiques européens intrigués par le comportement du sélénium, qui a été porté pour la première fois à l'attention de la communauté scientifique dans un article de Willoughby Smith publié dans le Journal of the Society of Telegraph Engineers en 1873.
Smith, ingénieur électricien en chef de la Gutta Percha Company, a utilisé des tiges de sélénium à la fin des années 1860 dans un appareil pour détecter les défauts des câbles transatlantiques avant de plonger. Alors que les tiges de sélénium fonctionnaient bien la nuit, elles fonctionnaient terriblement lorsque le soleil se levait.
Soupçonnant que les propriétés spéciales du sélénium avaient quelque chose à voir avec la quantité de lumière qui tombait dessus, Smith a placé les tiges dans une boîte avec un couvercle coulissant. Lorsque le tiroir était fermé et les lumières éteintes, la résistance des tiges - le degré auquel elles empêchent le passage d'un courant électrique à travers elles - était maximale et restait constante. Mais lorsque le couvercle de la boîte a été retiré, leur conductivité a immédiatement "augmenté en fonction de l'intensité de la lumière".
Parmi les chercheurs qui ont étudié l'effet de la lumière sur le sélénium après le rapport de Smith, il y avait deux scientifiques britanniques, le professeur William Grylls Adams et son étudiant Richard Evans Day.
À la fin des années 1870, ils ont soumis le sélénium à de nombreuses expériences, et dans l'une de ces expériences, ils ont allumé une bougie à côté des tiges de sélénium que Smith utilisait. La flèche sur leur compteur réagit immédiatement. Protéger le sélénium de la lumière a fait chuter immédiatement l'aiguille à zéro.
Ces réactions rapides excluent la possibilité que la chaleur de la flamme de la bougie produise un courant, car lorsque la chaleur est fournie ou évacuée dans les expériences thermoélectriques, l'aiguille monte ou descend toujours lentement. "Par conséquent", concluent les chercheurs, "il était clair que le courant ne pouvait être libéré dans le sélénium que sous l'action de la lumière." Adams et Day ont appelé le courant produit par la lumière "photovoltaïque".
Contrairement à l'effet photoélectrique observé par Becquerel, lorsque le courant dans une cellule électrique changeait sous l'action de la lumière, dans ce cas la tension électrique (et le courant) était générée sans l'action d'un champ électrique externe uniquement sous l'action de la lumière.
Adams et Day ont même créé un modèle de système photovoltaïque concentré, qu'ils ont présenté à de nombreuses personnalités en Angleterre, mais ne l'ont pas mis en pratique.
Un autre créateur Cellules photovoltaïques à base de sélénium était l'inventeur américain Charles Fritts en 1883.
Il étendit une large couche mince de sélénium sur une plaque de métal et la recouvrit d'un mince film translucide de feuille d'or. Ce module de sélénium, dit Fritz, produisait un courant "continu, régulier et d'une force considérable ... non seulement dans la lumière du soleil, mais aussi à la lumière du jour faible et diffuse et même à la lumière des lampes ».
Mais le rendement de ses cellules photovoltaïques était inférieur à 1 %. Cependant, il croyait qu'ils pourraient rivaliser avec les centrales électriques au charbon d'Edison.
Panneaux solaires au sélénium doré de Charles Fritts sur un toit de New York en 1884.
Fritz a envoyé un de ses panneaux solaires à Werner von Siemens, dont la réputation était égale à celle d'Edison.
Siemens a été tellement impressionné par la puissance électrique des panneaux lorsqu'ils sont allumés qu'un célèbre scientifique allemand a présenté le panneau Fritts à la Royal Academy de Prusse. Siemens a déclaré au monde scientifique que les modules américains "nous présentaient pour la première fois la conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique".
Peu de scientifiques ont répondu à l'appel de Siemens. La découverte semblait contredire tout ce que la science croyait à l'époque.
Les tiges de sélénium utilisées par les panneaux "magiques" d'Adams et Day et Frith ne reposaient pas sur des méthodes connues de la physique pour générer de l'énergie. Par conséquent, la majorité les a exclus du champ des recherches scientifiques ultérieures.
Le principe physique du phénomène photoélectrique a été théoriquement décrit par Albert Einstein dans son article de 1905 sur le champ électromagnétique, qu'il a appliqué au champ électromagnétique, publié par Max Karl Ernst Ludwig Planck au tournant du siècle.
L'explication d'Einstein montre que l'énergie d'un électron libéré ne dépend que de la fréquence du rayonnement (énergie des photons) et du nombre d'électrons de l'intensité du rayonnement (nombre de photons). C'est pour ses travaux dans le développement de la physique théorique, en particulier la découverte des lois de l'effet photoélectrique, qu'Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921.
La nouvelle description audacieuse d'Einstein de la lumière, combinée à la découverte de l'électron et à la volonté subséquente d'étudier son comportement - toutes se produisant au début du 19e siècle - a fourni à la photoélectricité une base scientifique qui lui manquait auparavant et qui pourrait maintenant expliquer le phénomène en termes compréhensible pour la science.
Dans des matériaux comme le sélénium, les photons les plus puissants transportent suffisamment d'énergie pour faire sortir les électrons faiblement liés de leurs orbites atomiques. Lorsque les fils sont attachés aux tiges de sélénium, les électrons libérés les traversent sous forme d'électricité.
Les expérimentateurs du XIXe siècle appelaient le processus photovoltaïque, mais dans les années 1920, les scientifiques appelaient le phénomène l'effet photoélectrique.
Dans son livre de 1919 sur les cellules solairesThomas Benson a salué le travail des pionniers avec le sélénium en tant que précurseur du "générateur solaire inévitable".
Cependant, sans découvertes à l'horizon, le responsable de la division photovoltaïque de Westinghouse n'a pu que conclure : "Les cellules photovoltaïques n'intéresseront les ingénieurs praticiens que lorsqu'elles seront au moins cinquante fois plus efficaces."
Les auteurs de Photovoltaics and Its Applications étaient d'accord avec la prévision pessimiste, écrivant en 1949: "Il faut laisser à l'avenir si la découverte de cellules matériellement plus efficaces ouvrira la possibilité d'utiliser l'énergie solaire à des fins utiles."
Mécanismes des effets photovoltaïques : L'effet photovoltaïque et ses variétés
Le photovoltaïque en pratique
En 1940, Russell Shoemaker Ole créa accidentellement Jonction PN sur du silicium et a découvert qu'il produisait de l'électricité lorsqu'il était éclairé. Il a breveté sa découverte. Le rendement est d'environ 1 %.
La forme moderne des cellules solaires est née en 1954 aux laboratoires Bell. Dans des expériences avec du silicium dopé, sa haute photosensibilité a été établie. Le résultat a été une cellule photovoltaïque avec une efficacité d'environ six pour cent.
Les fiers dirigeants de Bell dévoilent le panneau solaire Bell le 25 avril 1954, comprenant un panneau de cellules qui dépendent uniquement de l'énergie lumineuse pour alimenter la grande roue. Le lendemain, les scientifiques de Bell ont lancé un émetteur radio à énergie solaire qui diffusait de la voix et de la musique aux plus grands scientifiques américains réunis pour une réunion à Washington.
Les premières cellules solaires photovoltaïques ont été développées au début des années 1950.
Un électricien de Southern Bell assemble un panneau solaire en 1955.
Les cellules photovoltaïques sont utilisées comme source d'électricité pour alimenter divers appareils depuis la fin des années 1950 sur les satellites spatiaux. Le premier satellite doté de photocellules fut le satellite américain Vanguard I (Avangard I), lancé en orbite le 17 mars 1958.
Satellite américain Vanguard I, 1958.
Le satellite Vanguard I est toujours en orbite. Il a passé plus de 60 ans dans l'espace (considéré comme le plus ancien objet créé par l'homme dans l'espace).
Vanguard I a été le premier satellite à énergie solaire et ses cellules solaires ont fourni de l'énergie au satellite pendant sept ans. Il a cessé d'envoyer des signaux vers la Terre en 1964, mais depuis lors, les chercheurs l'ont toujours utilisé pour mieux comprendre comment le Soleil, la Lune et l'atmosphère terrestre affectent les satellites en orbite.
Satellite américain Explorer 6 avec panneaux solaires surélevés, 1959.
À quelques exceptions près, c'est la principale source d'électricité pour les appareils censés fonctionner pendant une longue période. La capacité totale des panneaux photovoltaïques de la Station Spatiale Internationale (ISS) est de 110 kWh.
Des panneaux solaires dans l'espace
Les prix des premières cellules photovoltaïques dans les années 1950 étaient de plusieurs milliers de dollars par watt de puissance nominale, et la consommation d'énergie pour les produire dépassait la quantité d'électricité que ces cellules produisaient au cours de leur durée de vie.
La raison en était, outre le faible rendement, que pratiquement les mêmes procédures technologiques et énergivores étaient utilisées dans la production de cellules photovoltaïques que dans la production de micropuces.
Dans des conditions terrestres, les panneaux photovoltaïques ont d'abord été utilisés pour alimenter de petits appareils dans des endroits éloignés ou, par exemple, sur des bouées, où il serait extrêmement difficile, voire impossible, de les connecter au réseau électrique. Le principal avantage des panneaux photovoltaïques par rapport aux autres sources d'électricité est qu'ils n'ont pas besoin de carburant et d'entretien.
Les premiers panneaux photovoltaïques produits en série sont apparus sur le marché en 1979.
L'intérêt accru pour le photovoltaïque en tant que source d'énergie sur Terre, ainsi que pour d'autres sources renouvelables, a été alimenté par la crise pétrolière des années 1970.
Depuis lors, une recherche et un développement intensifs ont été menés, ce qui a entraîné une efficacité accrue, des prix plus bas et une durée de vie plus longue des cellules et panneaux photovoltaïques. Dans le même temps, l'intensité énergétique de la production a tellement diminué que le panneau génère bien plus d'énergie qu'il n'en a fallu pour le produire.
Les plus anciennes (toujours en service) grandes structures côtières datent du début des années 1980. A cette époque, les cellules en silicium cristallin étaient encore totalement dominées, dont la durée de vie a été confirmée en conditions réelles d'au moins 30 ans.
Sur la base de l'expérience, les fabricants garantissent que les performances du panneau diminueront de 20% maximum après 25 ans (cependant, les résultats des installations mentionnées sont bien meilleurs). Pour les autres types de panneaux, la durée de vie est estimée sur la base d'essais accélérés.
En plus des cellules originales en silicium monocristallin, un certain nombre de nouveaux types de cellules photovoltaïques ont été développés au fil des ans, à la fois cristalline et couche mince… Pourtant, le silicium reste le matériau dominant dans le photovoltaïque.
La technologie photovoltaïque a connu un essor important depuis 2008, lorsque les prix du silicium cristallin ont commencé à baisser rapidement, principalement en raison du transfert de la production vers la Chine, qui était auparavant un acteur minoritaire sur le marché (la majorité de la production photovoltaïque était concentrée au Japon, le États-Unis, Espagne et Allemagne).
Le photovoltaïque ne s'est généralisé qu'avec la mise en place de divers systèmes de support. Le premier était le programme de subventions au Japon, puis le système de prix d'achat en Allemagne. Par la suite, des systèmes similaires ont été introduits dans un certain nombre d'autres pays.
L'énergie photovoltaïque est la source d'énergie renouvelable la plus courante aujourd'hui et est également une industrie à croissance très rapide. Il est largement installé sur les toits des bâtiments ainsi que sur les terrains non utilisables pour les travaux agricoles.
Les dernières tendances incluent également les installations d'eau sous la forme de systèmes photovoltaïques flottants et les installations agro-photovoltaïques, combinant les installations photovoltaïques avec la production agricole.