Du rayonnement solaire à la cellule photovoltaïque
Électricité photovoltaïque et transition énergétique - Du rayonnement solaire au générateur PV

Le constat scientifique que notre développement moderne perturbe profondément plusieurs équilibres planétaires, particulièrement la biodiversité et le climat, marque profondément le contexte mondial actuel et indique la nécessité d’une transition vers un modèle de développement plus soutenable. Le secteur de l’énergie, fondamental dans toute forme de développement, contribue fortement à ces dérèglements planétaires. Confrontée à l’urgence climatique qui fait maintenant consensus depuis l’Accord de Paris adopté en décembre 2015, l’humanité attend beaucoup d’une « transition énergétique » qui réponde efficacement à ces enjeux.

Dans ce contexte, l’électricité solaire photovoltaïque est une filière technologique privilégiée dans la concrétisation engagée d’une utopie déjà ancienne : refonder, à l’instar des chaînes alimentaires de la vie sur la Terre, l’approvisionnement énergétique des sociétés humaines sur la seule source d’énergie à basse entropie extérieure à la Terre : le Soleil. Dans cette situation thermo-dynamique remarquable, plusieurs sources d’énergies renouvelables d’origine solaire à très fort potentiel sont convoquées : rayonnement solaire, éolien sur terre et en mer, hydraulique, biomasse, etc. L’électricité photovoltaïque permet d’exploiter directement le plus important de ces potentiels énergétiques, le rayonnement solaire et, en termes de nouvelles capacités installées, a pris la tête de ce mouvement. Elle peut alimenter les grands réseaux électriques publics aussi bien que des microréseaux ou des sites isolés. Son association au stockage électrochimique, batteries ou hydrogène vert et power-to-gas, eux aussi objets d’importants programmes mondiaux, permet de remédier aux intermittences journalières et aux variations saisonnières d’ensoleillement, comme de participer indirectement aux besoins des systèmes autonomes et mobiles. Mais, comme toute technologie, elle n’est pas exempte d’impacts environnementaux : densifier l’énergie apportée par le rayonnement solaire demande de larges surfaces de capteurs et la mobilisation de ressources minérales importantes, épuisables si elles ne sont pas recyclées. L’objectif de cet article est de présenter ces éléments et les propriétés physiques de l’électricité photovoltaïque de façon unifiée en les situant précisément dans le contexte sociotechnique de transition évoqué ci-dessus, visant à donner à l’ingénieur un ensemble d’éléments scientifiques et techniques lui permettant d’élaborer les solutions pertinentes pour la conception et/ou l’opération des systèmes photovoltaïques dans toute leur diversité.

Dans ce document, une analyse de la transition énergétique est posée en premier lieu, incluant la situation thermodynamique du système Soleil-Terre ; elle sert de cadre auquel relier explicitement telle ou telle propriété physique spécifique au photovoltaïque présentée par la suite. Puis les propriétés du rayonnement solaire et les principes de sa conversion photovoltaïque sont décrits ainsi que les dispositifs technologiques qui permettent sa mise en œuvre, de la cellule photovoltaïque élémentaire au générateur multicellulaire et modulaire. Cette modularité combinée à celle de l’électronique de puissance qui conditionne l’électricité photovoltaïque, conduit à une grande variété de structures, d’abord pour les générateurs, ensuite pour les systèmes, de puissances de quelques watts à plusieurs mégawatts, installés en zones aussi bien urbaines et industrielles denses que rurales et isolées. Dans un second article [D 3 936], une typologie générique unifie cette diversité de systèmes photo-voltaïques. On y traite ensuite de la conception des systèmes photovoltaïques. Celle-ci inclut l’évaluation de l’insolation sur site dont la prise en compte est indispensable pour opérer le dimensionnement des générateurs photo-voltaïques. Elle inclut également les impacts environnementaux de ces systèmes précisément promus pour réduire notre empreinte écologique. Enfin, quelques exemples de systèmes photovoltaïques types sont choisis pour en illustrer quelques particularités, particulièrement l’association au vecteur hydrogène-énergie.