Conversion photovoltaïque : du rayonnement solaire à la cellule

L'électricité d'origine solaire photovoltaïque, même si elle ne représente à ce jour qu'une part négligeable du paysage énergétique global, seulement 0,02 % de l'électricité produite en 2004, est appelée à connaître un important essor qui devrait en faire l'une des sources majeures dans un bouquet énergétique nouveau au milieu du XXI^e siècle. Elle a fortement contribué au développement des systèmes spatiaux depuis 50 ans et joue un rôle déterminant dans les télécommunications et les télémesures. Elle connaît maintenant une croissance supérieure à 30 % par an dans les applications terrestres, maintenue et confirmée depuis plusieurs années sous l'effet des mesures volontaristes récentes s'inscrivant dans une démarche de développement durable.

En effet, l'humanité est aujourd'hui en situation de surexploitation des capacités de la Terre [1] et cette situation fait redouter un épuisement prochain des ressources naturelles. Pour y remédier, il est indispensable d'inscrire nos activités dans une logique de recyclage ou d'exploiter des ressources renouvelables. Le secteur actuel de l'énergie représente plus de 50 % de l'empreinte écologique totale et ne satisfait pas du tout ces critères. Les ressources primaires fossiles massivement exploitées depuis deux siècles [D 3 900], sont non renouvelables au rythme de la consommation actuelle et sont sources d'émissions gazeuses à effet de serre (GES) induisant des modifications climatiques potentiellement dommageables [2] [3]. Quant aux ressources fissiles, également épuisables, elles génèrent des déchets bien difficiles à confiner ou à recycler.

Or, parmi toutes les ressources naturelles requises pour nos activités, le seul domaine dans lequel la Terre bénéficie d'un apport extérieur constamment renouvelé est précisément celui de l'énergie grâce au rayonnement reçu de son soleil. Cette énorme quantité d'énergie solaire se décline en autant d'énergies renouvelables (solaire, éolienne, thermique, hydraulique, biochimique, ...), moteurs de l'évolution naturelle des écosystèmes depuis plus de 4 milliards d'années. Dans ce contexte, l'époque est devenue propice à l'exploitation artificielle par l'homme de ces énergies primaires renouvelables [4]. Mais leur valorisation introduit une problématique nouvelle en raison de leur caractère diffus et intermittent incompatible a priori avec une production centralisée à la demande.

C'est particulièrement le cas de l'électricité photovoltaïque issue de la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique, vecteur aux très nombreuses qualités. Si cette filière énergétique récente fait figure de candidat exemplaire en théorie, sa valorisation pratique pose des problèmes très spécifiques, techniques mais aussi contextuels, dont certains ont freiné son développement avant la forte croissance observée actuellement. Son exploitation implique les contextes géophysique et énergétique, les propriétés physiques du rayonnement solaire, les propriétés technologiques des dispositifs de conversion photovoltaïque et finalement celles des systèmes et des applications qui exploitent efficacement cette énergie. Les éléments principaux de cette problématique globale attachée à l'électricité photovoltaïque font l'objet de deux dossiers complémentaires Conversion photovoltaïque : du rayonnement solaire à la cellule[D 3 935] et [D 3 936].

Ce premier dossier traite des contextes géophysique et énergétique et de la conversion photovoltaïque proprement dite depuis les principes physiques jusqu'aux matériaux et technologies utilisés dans les cellules photovoltaïques.

Le deuxième dossier traite de l'exploitation de la conversion photovoltaïque, depuis la mise en œuvre pratique des cellules photovoltaïques pour constituer des générateurs d'énergie électrique jusqu'aux systèmes photovoltaïques. Après une analyse de la problématique de ces systèmes en termes d'architecture et de gestion de l'énergie, plusieurs exemples y sont décrits afin d'illustrer la variété des applications et des fonctionnements.

Le lecteur trouvera par ailleurs des développements différemment ciblés sur le photovoltaïque dans la collection des Éditions techniques de l'Ingénieur, notamment ceux auxquels ce dossier se réfère :

• « Consommation d'énergie et ressources énergétiques » [D 3 900] ;

• « Modules photovoltaïques. Filières technologiques » [D 3 940] ;

• « Les cellules photovoltaïques organiques » [RE 25] ;

• « Graphes de liens causaux pour systèmes à énergie renouvelable » [D 3 970] et [D 3 971].

En outre, ce domaine en pleine expansion fait l'objet d'une abondante documentation, particulièrement sur la toile internet (cf. [Doc. D 3 936]).