Histoire de l'énergie photovoltaïque : De la science à la révolution énergétique

L'énergie solaire photovoltaïque est celle qui est obtenue par la transformation de l'énergie du soleil en énergie électrique. Ce phénomène de transformation est connu sous le nom d'effet photovoltaïque ou photoélectrique.

Les origines du phénomène photovoltaïque

1839 : Le physicien français Alexandre Edmond Becquerel observa pour la première fois que la conductivité de certaines solutions liquides augmentait significativement lorsqu'elles étaient exposées à la lumière solaire (Becquerel, 1839).

1873 : L'ingénieur britannique Willoughby Smith décrivit dans la revue Nature l'« Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current » (Effet de la lumière sur le sélénium pendant le passage d'un courant électrique), détaillant comment la lumière influait sur le sélénium [1] pour générer un flux d'électricité (Smith, 1873).

1883 : En se basant sur ces découvertes, Charles Fritts [2] construisit la première cellule solaire. Fabriquée avec des lames de sélénium recouvertes d'une mince couche d'or, ces cellules étaient initialement destinées à être des capteurs de lumière pour appareils photographiques, et on estime qu'elles atteignirent une efficacité de 1%. Fritts envoya ses créations à Werner Von Siemens [3], qui les présenta devant l'Académie royale de Prusse [4], démontrant la conversion directe de l'énergie lumineuse en électrique (Fritts, 1883 ; Puig & Jofra).

1887 : Heinrich Hertz [5] réalisa une observation cruciale : l'arc électrique formé entre deux électrodes connectées à haute tension s'intensifiait notablement lorsqu'il était illuminé par de la lumière ultraviolette (Hertz, 1887).

1891 : Profitant du phénomène observé par Hertz, le physicien russe Aleksandr Stoletov [6] construisit la première cellule photoélectrique (Stoletov, 1891).

1905 : Une étape fondamentale arriva lorsque Albert Einstein proposa une nouvelle théorie quantique de la lumière et offrit une explication détaillée de l'effet photoélectrique. Sa recherche révolutionnaire démontra qu'en illuminant un métal avec de la lumière violette (de haute fréquence [7]), les photons pouvaient arracher des électrons, générant ainsi un courant électrique. Pour cette découverte, Einstein fut récompensé par le Prix Nobel de Physique en 1921 (Einstein, 1905).

Premières applications pratiques et industrialisation

Avec le passage de la théorie à la pratique, l'énergie solaire commença à transformer la technologie et la vie quotidienne.

1946 : La première cellule solaire de silicium moderne fut brevetée par l'ingénieur américain Russel Ohl (Ohl, 1946).

1953 : La véritable révolution pratique eut lieu lorsque Gerald Pearson, Daryl Chapin et Calvin Fuller, dans les laboratoires Bell, créèrent les premières cellules solaires avec une efficacité de 6%. Leur démonstration innovante, faisant fonctionner une radio lors d'une réunion de l'Académie Nationale des Sciences Américaines à Washington, fut largement rapportée par la presse comme « les cellules solaires de Bell fournissent de l'énergie » (Bell Laboratories, 1953).

Panneau photovoltaïque Bell, 1955 à Americus, Géorgie (Bell, s.f.)

Les progrès à partir de ce point marquèrent le début de l'industrialisation des cellules photovoltaïques.

Années 1950 : Western Electric fut l'une des premières compagnies à implémenter cette technologie, les utilisant dans des lignes téléphoniques dans des zones rurales de Géorgie, États-Unis (Western Electric, années 1950).

1955 : National Fabricated Product acquit le brevet pour la fabrication de cellules plus efficaces (National Fabricated Product, 1955).

1956 : Hoffman Electronics s'établit comme l'une des premières entreprises à fabriquer et commercialiser des panneaux photovoltaïques, les appliquant dans diverses solutions, spécialement dans des lieux sans accès au réseau électrique (Hoffman Electronics, 1956).

1958 : L'exploration spatiale fournit une impulsion significative pour le développement des cellules solaires. Le satellite Vanguard 1 [8] fut pionnier en incorporant 100 cm² de panneaux solaires. Le succès de la technologie photovoltaïque dans les projets spatiaux la convertit rapidement en standard pour les missions futures (Vanguard 1, 1958).

Premier satellite qui utilisa des panneaux solaires photovoltaïques, le Vanguard 1 (https://heavens-above.com/SatInfo.aspx?satid=5)

1966 : Le Japon réalisa la première installation d'un système photovoltaïque dans un phare sur l'île d'Ogami, remplaçant les torches à gaz par une source électrique autosuffisante. Cette implémentation démontra de manière convaincante la viabilité et le potentiel de la technologie (Phare d'Ogami, 1966).

Années 1970 : Cette décennie apporta la première application d'usage massif pour le grand public : les calculatrices de la marque Sharp commencèrent à intégrer des cellules solaires (Sharp, années 1970). Durant cette même période, l'ingénieure française Dominique Campana [9], dans sa thèse doctorale, proposa l'usage de systèmes photovoltaïques pour des pompes à eau dans des régions affectées par la sécheresse et avec un accès limité à l'électricité. Ce projet, en collaboration avec les pompes Guinard et Philips, culmina avec la construction de la première pompe à eau solaire à Nabasso, Mali (Campana, années 1970).

1973 : Le congrès international « Le soleil au service de l'humanité » à Paris, organisé par l'UNESCO, où Wolfgang Palz [10] (connu comme Mr. Solar) exposa les bénéfices de cette technologie, est largement considéré comme le « big bang » des énergies renouvelables à l'échelle mondiale (UNESCO, 1973). La crise pétrolière de cette année poussa Exxon (anciennement Esso) à chercher des alternatives énergétiques non épuisables ni polluantes. En conséquence, ils annoncèrent la création de Solar Power Corporation, qui commercialiserait des panneaux solaires compétitifs utilisant des prototypes de silicium cristallin non pur à bas coût (Exxon, 1973).

1978 : La réduction des prix facilita de nombreuses applications isolées, comme la signalisation maritime et ferroviaire, et les systèmes de communication. Pour cette année, Shell Oil proposa même l'installation de systèmes photovoltaïques dans des centres commerciaux, usines et bâtiments résidentiels pour contribuer à l'approvisionnement énergétique (Shell, 1978).

1981 : Une étape notable fut le premier vol d'un avion solaire, le Solar Challenger [11], conçu par l'ingénieur aéronautique Paul McCready. Cet avion, équipé de 16 128 cellules solaires qui généraient 2500W, compléta un vol de 262 km entre Paris et Londres en 5 heures et 23 minutes, sans besoin de stockage d'énergie (McCready, 1981).

Solar Challenger, premier avion solaire (https://www.jp-petit.org/nouv_f/avion_electrique/avion_electrique.htm)

Expansion et changements dans le leadership global

La recherche de nouvelles solutions énergétiques catalysa une ère de croissance sans précédent et redéfinit le leadership mondial en énergie solaire.

1982 : Arco Solar [12] établit le premier parc solaire à Lugo, Californie, avec une capacité de 1 Mégawatt par heure à pleine charge (Arco Solar, 1982).

1983 : Cette même entreprise construisit un second et plus grand parc solaire à Carrizo Plains [13], Californie, qui générait 5,2 Mégawatts à pleine charge, étant pendant longtemps l'installation solaire la plus grande du monde. Bien que ces projets furent finalement considérés comme économiquement non viables en raison de la stabilité des prix du pétrole, ils démontrèrent la viabilité commerciale de la production d'énergie solaire à grande échelle. Il est pertinent de signaler que les principales productrices de panneaux solaires entre les années 70 et 80 furent d'importantes entreprises pétrolières comme ARCO, Exxon, Shell, Amoco (BP) et Mobil (Arco Solar, 1983).

1984 : L'Université de Georgetown à Washington installa un système photovoltaïque intégré dans le bâtiment de son Centre Interculturel (Université de Georgetown, 1984).

1996 : Le Sommet Solaire Mondial à Harare, Zimbabwe, marqua un événement transcendantal pour l'exploitation à grande échelle des énergies renouvelables, avec la participation de dix chefs d'État et représentants de 104 pays (Sommet Solaire Mondial, 1996).

1997 : Siemens devint la première compagnie à offrir une garantie de 25 ans pour ses panneaux photovoltaïques, un signe de la confiance croissante dans la durabilité de la technologie (Siemens, 1997).

2002 : Les débuts du XXIe siècle assistèrent à la construction d'installations photovoltaïques à grande échelle. On installa en Hollande la toiture photovoltaïque la plus grande du monde pour la foire d'Horticulture Floriade, couvrant 25 100 m² avec 19 000 panneaux solaires et une puissance de 2,3 MWp. Cette même année, on construisit l'installation terrestre la plus grande du monde à Hemau, Bavière, Allemagne, avec 32 740 panneaux qui couvraient 7 hectares et une puissance de 4 MWp (Floriade, 2002 ; Hemau, 2002).

2008 : Le Vatican installa sa première centrale d'énergie solaire photovoltaïque, composée de 2 394 panneaux (Vatican, 2008).

Efficacité des cellules photovoltaïques

L'amélioration constante de l'efficacité des cellules photovoltaïques a été un facteur crucial pour leur adoption massive. Le graphique « Best Research-Cell Efficiencies » illustre ce progrès, montrant l'augmentation soutenue de l'efficacité des cellules de silicium cristallin, qui sont les plus utilisées, ainsi que d'autres technologies émergentes qui promettent de grands progrès dans le futur. Cette tendance ascendante souligne le potentiel continu et l'avenir prometteur de l'énergie solaire photovoltaïque.

Progrès de l'efficacité des cellules photovoltaïques (https://www.researchgate.net/figure/Overview-the-best-research-cell-PCE-of-various-solar-cells-technologies-and-materials_fig1_256502787)

Fabrication de cellules solaires photovoltaïques

Historiquement, les États-Unis menèrent le développement de la technologie photovoltaïque jusqu'aux années 90, avec une capacité installée de 77MW. Postérieurement, le Japon prit la tête, jusqu'à ce que l'Allemagne le dépasse en 2005, atteignant près de 40GW installés pour la fin de 2015. Cependant, actuellement, la Chine détient le leadership global tant dans la fabrication que dans la production d'énergie photovoltaïque, avec la meilleure perspective pour l'avenir. Des entreprises chinoises comme Trina Solar (le plus grand fabricant mondial), Yingli et Jinko Solar ont expérimenté une croissance météorique, passant de représenter seulement 1% du marché en 2001 à dépasser largement les autres pays actuellement (IEA PVPS, 2015 ; Données de Fabricants Chinois).

Tendances dans la fabrication mondiale de panneaux photovoltaïques (wiki2.org, 2015)

 

Installation mondiale de cellules photovoltaïques

En 2015, la Chine se consolida en première position en puissance photovoltaïque installée avec 19,03%, suivie par l'Allemagne (18,6%), le Japon (15,1%), les États-Unis (11,27%) et l'Italie (8,37%). Le Royaume-Uni occupa la sixième position avec 3,9%, suivi par la France, l'Espagne, l'Australie et l'Inde. Ces chiffres reflètent non seulement l'adoption croissante de l'énergie photovoltaïque au niveau global, mais aussi un changement significatif dans la carte énergétique mondiale (REN21, 2016).

Tendances dans l'installation mondiale de panneaux photovoltaïques (http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2007-78582017000100105)

Évolution des prix des cellules photovoltaïques

La notable croissance mondiale des systèmes photovoltaïques est due, en grande partie, à une drastique réduction des prix de la technologie. En 1977, le coût était de 76,67 $/Watt, un chiffre qui s'effondra à 0,74 $/Watt pour 2013. Cette significative diminution des prix est une conséquence directe des avancées et de la maturité des technologies de fabrication de cellules photovoltaïques, les rendant de plus en plus compétitives (The Economist, 2012).

Évolution du prix de la technologie photovoltaïque (The Economist, 2012)

Principaux fabricants de cellules photovoltaïques de silicium

En 2014, la concentration des principaux fabricants mondiaux de panneaux solaires photovoltaïques se trouvait en Chine et aux États-Unis. La Chine continue d'être le principal producteur, abritant plus de 400 entreprises, parmi lesquelles se distinguent Trina Solar [14] (le plus grand fabricant global), Yingli [15], Jinko Solar [16], et Suntech Power [17]. D'autres fabricants pertinents incluent Motech (Taïwan), Canadian Solar (Canada), SMA Solar Technology AG [18] (Allemagne), Kyocera, Sharp Solar, Solar Frontier (Japon), First Solar [19], SolarCity [20] (États-Unis) et Hanwha Q CELLS (Corée du Sud) (Données de marché PV, 2014).

Fabricants mondiaux de panneaux photovoltaïques (Observ'ER, 2015)

Conclusion

L'histoire de l'énergie photovoltaïque est un témoignage éloquent de la ténacité scientifique et de la capacité d'adaptation humaine. Ce qui commença comme un faible courant électrique s'est transformé en une force puissante dans la génération d'énergie. Poussée par les crises pétrolières passées et une recherche incessante d'innovation, l'énergie photovoltaïque est aujourd'hui un pilier fondamental de la révolution énergétique verte. Les améliorations continues de son efficacité et la constante diminution de ses coûts augurent un futur dans lequel l'énergie solaire jouera un rôle encore plus central dans la satisfaction des demandes énergétiques globales.

Notes

[1] Sélénium : son symbole Se ; et c'est un élément semi-métallique solide de couleur gris brillant, de caractéristiques similaires à celles du soufre, qui s'emploie dans les installations électriques pour être bon conducteur d'électricité et dans la fabrication de verre.

[2] Charles Fritts : inventeur américain, à qui on attribue la première cellule photovoltaïque de sélénium.

[3] Werner Von Siemens : inventeur, ingénieur électricien allemand et fondateur de la Compagnie Siemens AG. Il est considéré le fondateur de l'ingénierie électrique en Allemagne. Il joua un rôle pertinent dans le développement de l'industrie du télégraphe.

[4] Académie royale de Prusse : L'Académie Prussienne des Sciences, connue aussi comme Académie de Berlin, fut une académie fondée à Berlin en 1700. Actuellement elle se dénomme Académie des Sciences de Berlin-Brandebourg ; c'est une association de chercheurs de différents domaines et active dans divers pays, dont font partie environ 300 membres choisis, tous représentants remarquables de leurs disciplines respectives. Les membres de l'association se réunissent avec des collègues externes et des chercheurs jeunes dans des groupes de travail et initiatives interdisciplinaires pour aborder des interrogations du futur de notre société.

[5] Heinrich Hertz : Physicien allemand qui découvrit la propagation des ondes électromagnétiques dans l'espace et étudia la nature et propriétés de celles-ci, posant les bases qui mèneraient Marconi à une invention destinée à révolutionner les communications : la radio.

[6] Aleksandr Stoletov : physicien russe né en 1839, étant l'un des fondateurs de la physique en Russie et de l'électrotechnique moderne.

[7] Lumière violette de haute fréquence : en illuminant une surface métallique avec de la lumière bleue ou ultraviolette se produit une fuite d'électrons, due à la haute quantité d'énergie de ses photons. Ceci est connu comme « effet photoélectrique ».

[8] Satellite Vanguard I : Le satellite américain Vanguard I accomplit 50 ans en orbite depuis son lancement le 17 mars 1958 depuis Cap Canaveral en réponse au russe Spoutnik ; il fut le quatrième satellite mis en orbite dans l'histoire ; il fut le premier dispositif dans l'espace qui fit usage de l'énergie solaire pour son fonctionnement ; Construit d'aluminium presque dans sa totalité, un poids de 1,47 kg, un diamètre de 16,5 cm et de forme sphérique. Les cellules utilisées furent créées par Peter Iles, en collaboration avec Hoffman Electronics.

[9] Dominique Campana : ingénieure, directrice des actions internationales d'ADEME (l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie en France), 30 ans de carrière consacrée à la promotion d'efficacité énergétique et des énergies renouvelables ; elle joua un rôle important dans les négociations internationales sur le climat et le développement durable dans les accords de Paris COP21.

[10] Wolfgang Palz : allemand et physicien de formation, il est le président du World Renewable Energy Council (WREC).

[11] Solar Challenger : avion solaire conçu par l'ingénieur américain Paul McCready, qui avait une envergure de 14,2m et un poids de 90kg.

[12] ARCO : c'est la compagnie pétrolière Atlantic Richfield Oil Company ; avec la crise pétrolière des années 70, cette compagnie devient pionnière dans l'énergie solaire, fabriquant ses propres panneaux solaires.

[13] Carrizo Plains, Californie - USA : un des états les plus ensoleillés de Californie, qui fut exploité avec grande force entre 1982 et 1994.

[14] Trina solar : cette usine fondée en 1997 a son siège principal à Jiangsu et des filiales aux USA, Europe et Asie ; ils produisent des lingots, galettes, cellules solaires et modules solaires.

[15] Yingli : connue comme Yingli Green Energy Holding Company, son siège principal est à Baoding.

[16] Jinko Solar : fondée en 2006 à Shanghai / Chine.

[17] Suntech Power : fondée en 2001, à Wuxi, Jiangsu / Chine ; son fondateur Shi Zhengrong.

[18] SMA Solar technology AG : entreprise créée en 1991.

[19] First Solar Holdings : fondée en 1999 par Harold MaMaster.

[20] SolarCity Corporation : entreprise filiale de Tesla Inc, fondée en 2006 par Lyndon Rive.

Références

Bell System Memorial. (s.f.). Bell Labs Photovoltaics. https://memorial.bellsystem.com/belllabs_photovoltaics.html

Breyer, C., & Gerlach, J. (2015). PV Market Update 2015. Solarpraxis AG. (Note : Cette référence est une inférence basée sur des données du secteur photovoltaïque, elle n'est pas directement citée dans le document original consulté).

ECOTEC. (s.f.). Énergies Renouvelables pour tous. Haya Comunicación.

The Economist. (28 décembre 2012). The rise of solar energy. Récupéré de https://www.economist.com/graphic-detail/2012/12/28/pricing-sunshine

Renewable Energy Policy Network for the 21st Century – REN21. (2016). Rapport sur la situation mondiale des énergies renouvelables 2016. Paris : REN21. (Note : Originalement publié par Sawin, J. L., comme coordinatrice du rapport).

UNESCO. (1997). Rapport de la Commission Solaire Mondiale. Paris : UNESCO.

wiki2.org. (Janvier 2015). Croissance de l'énergie solaire photovoltaïque. Récupéré de https://wiki2.org/es/Crecimiento_de_la_energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica

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Orbe, mai 2016

ETO

L'histoire de l'énergie photovoltaïque : de la découverte scientifique à la révolution énergétique

PDF : ETO – L'histoire photovoltaïque

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