Panneaux solaires : les grands moments de plus de 140 ans d'innovation
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Du toit d'un immeuble de New York dans les années 1800 au premier voyage dans l'espace. Des enlèvements et de la corruption à une erreur qui a changé le monde avec un encrier... Les panneaux solaires sont l'une des plus grandes inventions de l'humanité, et leur histoire est plus amusante que vous ne le pensiez.
La plus brève histoire du solaire :
La première fois que quelqu'un a installé un panneau solaire photovoltaïque, c'était en 1884, lorsque Charles Fritts a assemblé un ensemble de panneaux de la taille d'une table de billard sur un cadre en bois, sur un toit de New York. Fritts a utilisé du sélénium recouvert d'une fine couche d'or, obtenant une efficacité inférieure à 1 % dans la conversion de la lumière du soleil en électricité pour créer un courant qu'il a décrit comme « continu, constant et d'une force considérable ».
Le projet de Fritts n’est pas allé beaucoup plus loin : l’or et le sélénium n’étaient pas le genre de matériaux bon marché et abondants qui ont tendance à conduire à des produits commercialement compétitifs.
Le premier panneau solaire jamais installé, par Charles Fritts sur un toit de New York en 1884
Vingt ans plus tard, George Cove, un inventeur en série canadien, est entré en scène. Ce polymathe a déposé de nombreux brevets sur la conception d'hélices, la récupération d'énergie marémotrice, les générateurs de courant alternatif, les horloges et montres électriques. S'appuyant sur les travaux de Fritts, Cove a développé un « générateur électrique solaire » utilisant un matériau semi-conducteur avec une bande interdite extrêmement proche de celle du silicium (le principal matériau utilisé dans les panneaux solaires grand public d'aujourd'hui) et une batterie pour le stockage et la restitution de l'énergie.
Les journaux de l'époque rapportaient que la construction de ce générateur coûtait environ 20 dollars américains (l'équivalent en 1909 de 660 dollars américains d'aujourd'hui) et qu'il pouvait répondre à la totalité des besoins énergétiques d'une maison du début des années 1900 pendant environ 10 ans, évitant ainsi aux propriétaires de devoir se raccorder au réseau électrique en plein développement. Sa démonstration de 1909 à Halifax, en Nouvelle-Écosse, suscita un intérêt considérable de la part des investisseurs. À cette époque, Cove avait installé un atelier à New York et récolté 5 millions de dollars.
Cependant, son histoire a pris une tournure étrange lorsqu'il a affirmé avoir été kidnappé et s'être vu offrir 25 000 dollars plus une maison pour abandonner son travail - une affirmation qui n'est pas scandaleuse à l'époque, selon le chercheur d'Oxford, le Dr Sugandha Srivastav, qui note que « À cette époque, Thomas Edison (d'Edison Electric) et JD Rockefeller (fondateur de Standard Oil) étaient connus pour déployer une variété de tactiques pernicieuses pour pousser leurs concurrents à la faillite. »
Cove a déclaré avoir refusé l'offre et a ensuite été relâché dans le zoo du Bronx. Les critiques l'ont cependant accusé d'avoir mis en scène l'incident dans le cadre d'une arnaque ou pour attirer l'attention des médias sur son entreprise. Quoi qu'il en soit, l'entreprise de Cove a rapidement périclité et ne s'est jamais rétablie – et l'essor du charbon et du pétrole en 1911 a rapidement éclipsé la technologie solaire, retardant ainsi l'innovation solaire pendant près de 40 ans.
« L’obstructionnisme », écrit Srivastav, « a été un obstacle majeur au développement et au déploiement des énergies renouvelables dans le passé et continue de l’être aujourd’hui. »
Les parcs solaires ne sont pas toujours très esthétiques. Nous préférerions les voir sur les toits ou au-dessus des parkings plutôt que de les cacher dans la nature, mais c'est toujours mieux que de construire une centrale électrique au charbon ici.
Si l'énergie solaire n'a pas connu beaucoup de progrès au cours des décennies suivantes, d'autres technologies clés ont été développées, qui ont contribué à son renouveau. En 1918, Jan Czochralski, un chimiste polonais, a découvert par inadvertance une méthode de croissance de monocristaux (monocristallins) utilisés dans les plaquettes de semi-conducteurs, aujourd'hui connue sous le nom de méthode Czochralski. Cette méthode est encore aujourd'hui à la base de 90 % de tous les appareils électroniques.
La découverte a eu lieu lorsque Czochralski a accidentellement plongé sa plume dans un creuset d'étain fondu au lieu de son encrier (ce qui semble être une erreur raisonnable), ce qui a conduit au moment « eurêka ! » lorsqu'il a observé un brin d'étain en train de se solidifier suspendu à sa plume, vérifiant plus tard qu'il s'agissait d'une structure monocristalline.
L'énergie solaire est restée dans l'ombre, si vous me permettez le jeu de mots, jusqu'en 1954, lorsque les scientifiques Gerald Pearson, Calvin Fuller et Daryl Chapin des Bell Labs (comme dans la Bell Telephone Company) ont développé la première cellule solaire au silicium fonctionnelle, avec un rendement de conversion de 6 %, ce qui est largement supérieur aux cellules à rendement inférieur à 1 % du siècle précédent. Leur percée a utilisé la méthode du silicium cristallin mise au point par Czochralski.
Il est intéressant de noter que les Bell Labs ont également inventé le maser à cette époque. À l’époque, les Bell Labs ressemblaient beaucoup aux Google X Labs d’aujourd’hui, un foyer d’innovation et d’invention qui ont changé le monde.
La première application majeure des cellules solaires a eu lieu en 1958 avec le lancement du satellite Vanguard I, qui est devenu le premier objet spatial alimenté par l'énergie solaire. Vanguard I, légèrement plus petit qu'une boule de bowling, est toujours en orbite autour de la Terre aujourd'hui, bien qu'il ait transmis ses derniers octets de données en 1964 après six ans de fonctionnement. Les cellules solaires à bord étaient cruciales, car les batteries seules n'auraient pas pu assurer son fonctionnement aussi longtemps.
Si les avancées technologiques de cette ampleur ont été rares entre les années 1960 et 1980, l’adoption des panneaux solaires s’est progressivement répandue, notamment dans les zones reculées où les lignes électriques étaient peu pratiques ou trop coûteuses. Les tours de radio et de télévision, les stations météorologiques, les stations terrestres de satellites, les pompes d’irrigation, les plateformes pétrolières offshore, les phares et les balises, par exemple, ont commencé à s’appuyer sur l’énergie solaire. Et dans les pays en développement, la technologie solaire a apporté l’électricité aux villages reculés, permettant ainsi la mise en place de services de base comme l’éclairage et la réfrigération des vaccins.
Des panneaux solaires dans les pays en développement ou simplement dans les endroits où le coût de pose des lignes électriques est trop élevé
En 1989, des cellules multijonctions ont été développées. Ces cellules empilent de très fines couches de différents matériaux pour capter davantage d'énergie solaire, ce qui en fait les panneaux les plus efficaces à ce jour. En 2006, les chercheurs ont atteint un rendement de 46 % avec les cellules multijonctions, soit près du double des meilleures cellules traditionnelles en silicium cristallin. Cependant, ces cellules restent extrêmement chères et sont principalement utilisées dans des applications aérospatiales spécialisées comme la Station spatiale internationale, qui peut générer jusqu'à 120 kW grâce à ses panneaux solaires.
La perovskite , un matériau qui a récemment fait parler de lui en raison de son potentiel photovoltaïque, a permis d'améliorer encore l'efficacité. Grâce à sa structure cristalline unique, la perovskite a permis aux cellules tandem (combinant des couches de silicium et de perovskite) d'atteindre une efficacité supérieure à 30 % .
Les panneaux solaires bifaces ont également gagné en popularité au cours de la dernière décennie. Capables de capter la lumière du soleil des deux côtés, ils sont principalement utilisés dans les centrales solaires à grande échelle (de grandes centrales solaires conçues pour alimenter le réseau électrique), suspendues au-dessus de surfaces réfléchissantes pour une absorption maximale.
Les panneaux solaires d’aujourd’hui sont censés durer 25 à 30 ans avant que leurs performances ne commencent à se dégrader – mais même dans ce cas, ils ne perdent qu’environ un pour cent de leur capacité de production par an au-delà de leur durée de vie prévue.
La technologie solaire portable et flexible permet désormais d’utiliser cette source d’énergie fiable et bon marché dans toutes sortes de nouvelles applications.
Panneaux solaires portables facilement déployables pour garder vos appareils électroniques chargés pendant une grande aventure
L’une des plus grandes avancées dans le domaine de la technologie solaire a toutefois été celle du stockage par batterie.
En raison de la limitation inhérente à l'énergie solaire, qui ne produit de l'électricité que pendant une partie de la journée, le stockage de l'excédent d'énergie s'est avéré crucial pour faire de l'énergie solaire une source d'énergie fiable, disponible 24 heures sur 24, en particulier à l'échelle du réseau électrique municipal .
Les technologies de batteries ont évolué et les coûts ont diminué, ce qui a permis à l'énergie solaire de devenir de plus en plus viable pour fournir une énergie constante et fiable, même la nuit, grâce à des batteries chargées par le soleil. Les batteries lithium-ion ont ouvert la voie, et les nouvelles technologies comme le lithium-fer-phosphate (LiFePO4), le fer-air et des formes plus exotiques de stockage d'énergie mécanique continuent d'améliorer leur densité énergétique et leur rentabilité.
Il est fascinant d'observer l'évolution de ces technologies et leur place dans un futur mix énergétique propre : certaines pour faire face aux pics de demande d'électricité de courte durée et à grande vitesse, d'autres axées sur le renforcement du réseau à long terme et à libération lente pour garantir la stabilité des réseaux alors que la production quotidienne moyenne d'énergie solaire diminue en hiver et augmente en été.
Malgré un début de siècle difficile, l'énergie solaire est aujourd'hui un mastodonte et l'une des formes d'énergie les plus en vogue à l'heure où le monde se concentre sur une course vers zéro émission de carbone d'ici 2050. L'énergie solaire de qualité commerciale est actuellement la deuxième forme d'électricité la moins chère du marché, derrière l'énergie éolienne terrestre - et en termes de coût actualisé de l'énergie (LCoE), elle représente environ la moitié du prix de l'électricité produite à partir du charbon.
Depuis le premier appareil installé sur un toit par Charles Fritts, l'énergie solaire est sans doute devenue l'une des innovations les plus importantes de l'humanité : une forme d'énergie propre fiable et économiquement viable, capable de se développer suffisamment rapidement pour répondre à l'appétit toujours croissant de l'humanité pour l'électricité. C'est une histoire remarquable, que nous continuons de voir se développer en temps réel .