Comment les panneaux solaires sont passés des satellites des années 50 à votre jardin

Les panneaux solaires sont rapidement devenus monnaie courante dans les maisons, mais autrefois ils n’étaient guère plus qu’une rare curiosité. Comment sommes-nous passés de l’utilisation de l’énergie solaire sur les satellites à celle de devenir la source d’électricité la plus abordable ? Y a-t-il quelque chose dans sa trajectoire historique qui pourrait suggérer où il se dirige ensuite ?

Pour approfondir ces questions délicates, nous avons discuté avec l' auteur du livre sur l'histoire de l'énergie solaire , John Perlin. L’histoire qu’il nous a racontée a connu des rebondissements inattendus.

Comment fonctionnent les panneaux solaires ?

Commençons par les bases du photovoltaïque. Croyez-moi, c'est un contexte utile pour expliquer comment la technologie a évolué au fil du temps.

Fondamentalement, l’électricité est un flux d’électrons. Certaines molécules manquent d’électrons par rapport à leur état stable. D'autres molécules ont trop d'électrons. Avec suffisamment d’énergie, les électrons peuvent sauter d’une molécule qui en contient trop à une autre qui en contient trop peu. Ce mouvement d’électrons peut devenir un courant électrique.

Les panneaux solaires exploitent cela en plaçant une plaquette de silicium contenant trop d'électrons (appelée type N car les électrons introduisent une charge négative) superposée à une autre avec trop peu d'électrons (appelée type P car elle est effectivement chargée positivement). Lorsque la lumière du soleil frappe la couche de type N, le panneau peut absorber suffisamment d'énergie pour déloger un électron en excès. Au début, ces électrons iront directement au type P pour combler tous les trous disponibles, mais ces lacunes sont comblées assez rapidement. Cela laisse une zone appauvrie où les deux couches se rencontrent. Les trous électroniques à proximité sont remplis et davantage d’électrons ne peuvent pas facilement les traverser.

Heureusement, il existe un itinéraire alternatif. Il se trouve que suivre cette voie va alimenter tous nos produits dans le processus. De fines bandes conductrices sont appliquées au sommet de la couche de type N pour envoyer les électrons sur cette route.

Après avoir été extrait de la couche supérieure de silicium, un électron passe par un inverseur qui transforme le courant continu en un courant alternatif utilisable par les appareils du quotidien. Ensuite, l'électron passe par tout ce qui a besoin d'électricité.

Une fois que l’électron a fait son travail, le circuit est terminé lorsqu’il retourne dans la couche inférieure du silicium. En dehors de la zone d’appauvrissement, la couche de type P contient encore trop peu d’électrons et est prête à en recevoir à l’autre extrémité. Les choses pourraient s'arrêter là, les électrons trouvant enfin leur foyer, mais la couche de type N d'un panneau solaire est suffisamment fine pour que la lumière puisse atteindre le type P, y déloger les électrons et les renvoyer au niveau supérieur pour y aller. à travers tout le processus à nouveau.

Si vous souhaitez approfondir le sujet, nous avons ici une explication plus longue sur le fonctionnement des panneaux solaires .

Un début cahoteux

Le premier panneau solaire photovoltaïque enregistré a été installé à New York en 1884 par Charles Fritts. Il a été construit sur la base des travaux du physicien français Edmond Becquerel, qui avait fabriqué la première cellule solaire individuelle quelques années auparavant. Le panneau de Fritts n'était pas très efficace, capturant seulement 1 % de l'énergie solaire sous forme d'électricité.

Un autre inventeur, George Cove, a adopté une approche différente. Au lieu d'utiliser la lumière du soleil, sa machine utilisait la chaleur du soleil pour générer du courant électrique. Ce concept n’était pas nouveau à l’époque, mais la théorie est toujours utilisée aujourd’hui avec les générateurs thermoélectriques. Il semble que Cove ait repris le laboratoire de Fritts , mais cela a été de courte durée. Le travail de Cove a été entaché de controverses.

Suite à d'importants investissements externes dans son entreprise d'énergie solaire, Cove a été enlevé par des capitalistes américains dans le but de l'amener à arrêter son travail. Cela pourrait avoir quelque chose à voir avec les affirmations selon lesquelles son panneau solaire ne faisait en réalité que tirer de l'énergie du réseau électrique plutôt que d'en produire lui-même, ce qui constitue une fraude. D'autres pensent que Cove n'a pas été enlevé du tout et a simplement recherché de la publicité. Cela pourrait également être l’œuvre de concurrents nerveux dont les activités dépendaient de l’énergie fossile.

Quoi qu’il en soit, en 1911, l’essor du charbon et du pétrole a enterré la promesse de ces premiers panneaux solaires pour les décennies à venir.

Einstein change tout

Einstein classique, bouleversant tout ce que nous savons. Avant qu’il ne se pavane, ses mèches raides flottant au gré de la brise, il était généralement admis que la lumière agissait comme une vague. Par exemple, la lumière provenant de deux sources différentes ne rebondit pas l’une sur l’autre, comme ce serait le cas si la lumière était une particule. La lumière de l’une ou l’autre source se traverse, comme une onde.

Einstein, cependant, a pu prouver que la lumière agit à la fois comme une particule et une onde. Il l'a fait en observant comment un métal réagissait lorsqu'il était soumis à de la lumière à certaines longueurs d'onde. En bref, il a démontré que certains types de lumière possédaient suffisamment de propriétés de particules pour déplacer les électrons des métaux.

Les implications pour les panneaux solaires étaient énormes. Einstein a montré que les longueurs d’onde plus courtes transportaient une énergie plus élevée. Cependant, cette longueur d’onde plus courte ne pénétrait pas aussi profondément dans un matériau. Cela signifiait que les panneaux solaires devaient avoir leurs éléments les plus actifs (comme là où la couche de type P et la couche de type N se rencontrent) plus près de la surface afin que les particules lumineuses, les photons, puissent éliminer les électrons à cette jonction. Le potentiel d’amélioration de l’efficacité a relancé l’intérêt pour la technologie solaire.

Le silicium fait l'objet d'une mise à niveau

La promesse des panneaux solaires réapparaît dans le monde des télécommunications . Dans les années 1950, les Bell Labs ont été chargés de trouver une alternative aux piles sèches qui ne cessaient de se dégrader sous les climats tropicaux et avaient un impact sur le service téléphonique local. Le chercheur principal, Daryl Chapin, s'est mis à explorer l'énergie solaire comme solution.

Le mot « dopage » n’a pas vraiment une connotation positive, mais il s’agit d’une avancée importante dans la technologie des panneaux solaires. À cette époque, les semi-conducteurs des panneaux solaires étaient plutôt limités. L'élément sélénium était utilisé et n'était toujours pas assez efficace pour être pratique. Après quelques expérimentations, les Bell Labs ont découvert que l’introduction d’impuretés dans le silicium améliorait considérablement ses performances en tant que semi-conducteur.

Il a été constaté que l’ajout (ou le dopage) de la couche supérieure de silicium avec du phosphore ajoutait beaucoup plus d’électrons au mélange. De même, l’ajout de bore à la couche inférieure a ajouté davantage de trous électroniques à remplir. Cette plus grande disparité de charges augmentait le flux d’électrons entre les deux couches où elles se rencontraient. Avec un rendement de 6 %, les panneaux solaires étaient enfin prêts à être utilisés dans le monde réel.

La course à l'espace

Eh bien, peut-être juste un peu en dehors de ce monde. À ce stade, les Soviétiques et les Américains étaient engagés dans la course à l’espace. Des satellites avaient été lancés, mais leur durée de vie était limitée à quelques semaines par les batteries avec lesquelles ils étaient lancés. Le gouvernement américain était désireux de financer des solutions qui lui donneraient une longueur d’avance dans la guerre froide. Un ancien nazi, Hans Ziegler, était venu aux États-Unis dans le cadre de l'opération Paperclip. Paperclip était un programme américain secret visant à intégrer les scientifiques allemands après la Seconde Guerre mondiale, tout en contournant les interdictions nationales imposées aux immigrants nazis.

« L’ironie de toute cette histoire est de considérer la cellule solaire comme quelque chose de hippie. En fait, cela a été poussé par le complexe militaro-industriel américain.» —John Perlin

Ziegler a cherché à introduire des cellules solaires dans les satellites. Malgré le scepticisme interne, le premier test de Ziegler sur le satellite Vanguard 1 a été approuvé et lancé en 1958. Même si la mission devait durer 90 jours, elle a pu communiquer avec la Terre pendant plus de six ans grâce à ses panneaux solaires. Vanguard 1 est en fait toujours en orbite aujourd’hui. L’énergie solaire a été défendue et elle est rapidement devenue la norme pour tous les lancements de satellites à venir.

Les grandes sociétés pétrolières misent sur le solaire

Exxon a la réputation d'être l'ennemi juré du mouvement climatique, c'est pourquoi il a été si surprenant lorsque Perlin nous a dit qu'Exxon avait déployé le premier déploiement commercial de panneaux solaires terrestres.

Exxon effectuait une multitude de forages offshore et d'autres opérations à distance nécessitant de l'énergie. Beaucoup d’entre eux utilisaient des batteries primaires plutôt coûteuses et impossibles à recharger. Les cellules étaient parfois jetées dans l’océan lorsqu’elles étaient épuisées. À un moment donné, un tas de ces déchets électroniques se sont échoués sur les côtes de Houston, ce qui a naturellement mis certaines personnes en colère.

À la suite de cette controverse, Exxon a cherché des alternatives. Le chercheur Elliot Berman avait largement fait la promotion de l'énergie solaire et, après avoir travaillé avec Exxon pour explorer cette opportunité, il a été choisi pour diriger la filiale solaire en propriété exclusive d'Exxon, Solar Power Corporation. Ici, Berman a développé un excellent moyen de réduire les coûts. La plupart du silicium était fabriqué en fondant du quartz (sable) pour obtenir un gros lingot, puis en rasant des tranches. Ce processus créait une structure atomique monocristalline efficace pour la production d’énergie solaire, mais il existait une autre option.

Berman voulait capitaliser sur des panneaux solaires qui n'étaient pas adaptés aux voyages spatiaux. Il a pu exploiter cet inventaire et générer du silicium polycristallin en combinant des déchets de silicium. Il a également pu utiliser du silicium provenant de l’industrie électronique au sens large. Le polycristallin résultant n’était pas aussi efficace que les panneaux solaires monocristallins en raison du méli-mélo de croissance cristalline, mais ils étaient environ cinq fois moins chers à fabriquer.

L'utilisation réussie de l'énergie solaire étant établie dans l'espace et les coûts réduits grâce au travail de Berman, Exxon a commencé à essayer des panneaux solaires sur ses plates-formes. Effectivement, l’énergie solaire a très bien fonctionné. Il n’a pas fallu longtemps pour que d’autres secteurs le remarquent et commencent à adopter l’énergie solaire pour d’autres opérations à distance.

L'indépendance énergétique de l'Amérique

Le rôle du pétrole dans le développement de l’énergie solaire n’était pas encore terminé. Un resserrement mondial de l'offre de pétrole par l'OPEP en 1973 a amené les États-Unis à chercher des moyens de réduire leur dépendance à l'égard d'un marché volatil du Moyen-Orient. Alors qu'Exxon travaillait activement à se diversifier au cas où elle ne pourrait pas rester dans le secteur pétrolier, l'énergie solaire ne figurait pas parmi les priorités du gouvernement.

Malgré toute la presse que Jimmy Carter a reçue pour avoir installé un chauffe-eau solaire au sommet de la Maison Blanche, il avait toujours une formation d'ingénieur nucléaire. Alors qu’il promouvait l’énergie solaire parallèlement à la conservation de l’énergie comme moyen d’indépendance énergétique, sa politique favorisait fortement l’énergie nucléaire et le charbon. Carter a même rejeté les demandes de l’armée visant à adopter l’énergie solaire pour ses propres besoins d’opérations à distance. Les Bell Labs avaient rencontré des vents contraires similaires dans les années 50, lorsque le programme Atoms for Peace d'Eisenhower promouvait l'énergie nucléaire comme la voie de l'avenir.

En fin de compte, l’Amérique a fini par trouver de plus grandes réserves intérieures de pétrole et a enregistré un excédent important tout au long des années 80.

La Chine intervient

Jusqu’à présent, l’Amérique s’était imposée comme l’épicentre du développement des panneaux solaires. Après tout, les Américains ont été les pionniers de la recherche, ont introduit la technologie dans l’espace et ont fait pression pour l’indépendance énergétique. Cela était sur le point de changer.

Vous voyez, les fournisseurs de services de télécommunications australiens avaient été contraints par la loi de fournir des services dans les zones rurales, et ils ont rencontré les mêmes types de problèmes que les Bell Labs. De vastes étendues d’Australie sont extrêmement chaudes, et faire fonctionner du gaz ou des batteries vers les tours de relais dans l’Outback n’est pas vraiment pratique.

Ce problème a incité à investir dans des solutions, notamment le développement éventuel de l'émetteur passif et de la cellule arrière (ou PERC) par Martin Green de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud. Surtout, cela réduisait l’absorption de chaleur des panneaux solaires afin qu’ils puissent continuer à fonctionner à des températures élevées. Il avait également l’avantage de renvoyer la lumière dans le silicium pour une seconde chance d’absorption. Cela a amélioré l'efficacité jusqu'à 25 %. Aujourd’hui, environ 90 % des panneaux solaires utilisent des cellules PERC.

« La tragédie est que le seul gouvernement qui a réellement montré un quelconque enthousiasme pour l’énergie solaire était le gouvernement chinois. Ce qui a commencé comme une invention américaine avec la cellule solaire Bell, est aujourd’hui produit par la Chine à 80 ou 90 % de la production mondiale de matériaux solaires.» —John Perlin

Malgré les besoins nationaux, le paysage politique n’était pas propice à ce que Green fasse progresser sa technologie. Comme l’Amérique, l’Australie avait des intérêts directs dans les combustibles fossiles et s’opposait activement au photovoltaïque. La Chine voisine n’avait pas de tels liens. Là, Green a pu courtiser des étudiants potentiels.

L'un des doctorants de Green. Shi Zhengrong, étudiant, a introduit la nouvelle technologie PERC en Chine et a levé suffisamment de capitaux pour commencer à produire des cellules solaires en 2002 sous le nom de Suntech. En plus de répondre aux besoins en énergie des télécommunications de l'Australie, la plupart des panneaux étaient destinés à l'Allemagne pour profiter des importantes incitations gouvernementales en faveur de la production d'énergie renouvelable.

De nombreux investisseurs de Suntech sont venus grâce aux contacts de Green avec des experts techniques américains. Ces contacts ont finalement permis à Suntech de devenir la première entreprise privée basée en Chine à être cotée à la Bourse de New York. L’intérêt s’est accru au point que plusieurs autres fabricants chinois d’énergie solaire sont apparus pour exploiter les investissements américains. En conséquence, la concurrence féroce entre eux a fait baisser les prix.

Même avec l’argent américain et le soutien du gouvernement chinois, la crise financière de 2008 a rendu ces prix bas intenables pour certains acteurs. Pourtant, bon nombre de ces grands fabricants chinois de panneaux solaires ont réussi à obtenir des investissements américains très tôt et à passer à une production de masse assez rapidement pour survivre à la crise financière et finalement garantir le maintien de prix historiquement bas pour l’énergie solaire. Le panneau solaire du Vanguard 1 coûtait 100 dollars par watt, mais il coûte aujourd'hui moins de 3 dollars par watt.

Quelle est la prochaine étape pour les panneaux solaires ?

Les panneaux solaires semblent être apparus partout au cours des dernières années seulement, mais ils se rapprochent de ce moment au soleil depuis plus d'un siècle. Les premières théories photovoltaïques ont ouvert la voie à la découverte par Einstein de la lumière agissant comme une onde et une particule. Les Bell Labs ont traduit la théorie en réalité, ce qui a permis d'envoyer des panneaux solaires dans l'espace, ce qui a prouvé à Exxon qu'elle (et par la suite d'autres industries) pouvait utiliser l'énergie solaire pour des opérations à distance. Alors que l’Amérique commençait à s’orienter davantage vers les combustibles fossiles, la Chine s’est révélée être un terrain fertile pour les investisseurs et les chercheurs qui ont commencé à produire des panneaux solaires à grande échelle et à faire baisser les prix.

Aujourd’hui, les installations solaires aux États-Unis s’accélèrent à un rythme sans précédent. Perlin reste optimiste quant aux prochaines étapes. Alors qu’une vision utopique populaire pourrait avoir un panneau solaire sur chaque toit, Perlin voit les plus grands progrès se produire dans les centrales solaires à l’échelle commerciale. Ainsi, même si nous ne regardons pas tous le silicium tous les jours, il y a de fortes chances qu'il continue à alimenter de plus en plus la vie moderne, dans les coulisses.