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Le soleil comme source d’énergie Le photovoltaïque Dominique Plée Le soleil com

Le soleil comme source d’énergie Le photovoltaïque Dominique Plée Le soleil comme source d’énergie Le photovoltaïque Dominique Plée est directeur scientiﬁ que au département de recherche d’Arkema, entreprise de chimie française dont les trois pôles d’activité sont : les produits vinyliques, la chimie industrielle et les produits de performance. Arkema concentre notamment ses efforts sur l’optimisation des cellules photovoltaïques, aussi bien sur leur rendement que sur leur résistance et leur longévité. Dans tous les domaines et pas seulement celui de l’ha- bitat, la question énergé- tique est vouée à occuper durablement le devant de la scène. L’équation mondiale ressemble de plus en plus à un casse-tête avec d’une part la demande des pays émergents, de la Chine et de l’Inde, qui doublera d’ici 2050, d’autre part les problèmes posés par l’usage massif des combustibles fossiles : épui- sement des ressources, per- turbations climatiques (ces sujets sont abordés dans les Chapitres d’A. Ehrlacher et de D. Quénard). Les leviers d’action pour faire face à ce problème mondial sont d’augmenter la produc- tion globale d’énergie, de di- versiﬁ er les sources et d’éco- nomiser l’énergie. La tenue des objectifs européens re- quiert un fort investissement dans la recherche et le déve- loppement. En effet, l’Europe s’est fixée d’atteindre d’ici 2020 l’objectif ambitieux des « 3 fois 20 » (paquet énergie climat), à savoir : - une diminution de 20 % des gaz à effet de serre par rap- port au niveau de 1990 ; - une amélioration de 20 % de l’efﬁ cacité énergétique ; - une contribution des éner- gies renouvelables à hauteur de 20 % dans la consomma- tion ﬁ nale d’énergie. 110 La chimie et l’habitat L’EUROPE ET LE PLAN SET OU « PLAN STRATÉGIQUE POUR LES TECHNOLOGIES ÉNERGÉTIQUES » Aﬁ n d’atteindre les objectifs européens en matière de lutte contre le changement climatique, de sécurité d’approvisionnement en énergie et de compétitivité des entreprises européennes (les « 3 fois 20 »), la Commission a présenté en 2007 le plan SET ou « plan stratégique pour les technologies énergétiques », qui a été adopté par le Conseil de l’Union européenne en 2008. Ce plan stratégique vise à accélérer le développement et le déploiement au meilleur coût des technologies à faible intensité carbonée. Il comprend des mesures portant sur la pla- niﬁ cation, la mise en œuvre, l es ressources et la coopération internationale en matière de technologies énergétiques. Des obstacles à franchir Or, certaines contraintes freinent le développement et la diffusion des technologies éner- gétiques, qu’il s’agisse du sous-investissement chronique qui touche ce secteur depuis les années 1980, des délais importants de commercialisation des nouveaux produits, du surcoût qu’ils entraînent souvent sans toujours assurer un meilleur rendement énergétique, des obstacles juridiques et administratifs, ou encore de leur acceptation sociale. De plus, face à la concurrence de certains pays industrialisés et des économies émergentes, les États membres de l’Union européenne doivent adopter une approche commun e efﬁ cace. Le temps est en outre un facteur décisif dans l’adoption de cette approche pour que les objectifs européens soient atteints. Des objectifs pas à pas Le plan SET ﬁ xe les objectifs suivants pour l’Europe : – à court terme : renforcer la recherche pour réduire les coûts et améliorer les perfor- mances des technologies existantes, et favoriser la mise en œuvre commerciale de ces technologies. Les actions à ce niveau devraient porter notamment sur les biocarburants de deuxième génération, la capture, le transport et le stockage du carbone, l’intégration des sources d’énergie renouvelables dans le réseau électrique et l’efﬁ cacité énergétique en matière de construction, de transport et d’industrie ; – à plus long terme : soutenir le développement d’une nouvelle génération de technologies à faible intensité carbonée. Les actions à réaliser devraient se concentrer, entre autres, sur la compétitivité des nouvelles technologies en matière d’énergies renouvelables, le stockage de l’énergie, la durabilité de l’énergie de ﬁ ssion, l’énergie de fusion, ainsi que le développement des réseaux transeuropéens de l’énergie. Des moyens pour l’innovation technologique La réalisation de ce plan SET implique un effort collectif et des actions au niveau du secteur privé, des États membres et de l’Union européenne, ainsi qu’au niveau mondial. Ce plan propose tout d’abord une nouvelle méthode de gouvernance en matière de technologies énergétiques, basée sur une planiﬁ cation stratégique commune. Dans cette optique, un groupe de pilotage, créé par la Commission en 2008 et constitué de représentants des États membres, permet de renforcer la cohérence en concevant des actions communes, en mettant des ressources à disposition et en évaluant les progrès. Grâce à une augmentation des ressources, tant ﬁ nancières qu’humaines, et à l’encourage- ment des formations de chercheurs, la Commission encourage et lance progressivement de nouvelles initiatives industrielles européennes – dans les secteurs de l’énergie éolienne, de l’énergie solaire, de la bioénergie, du piégeage, du transport et du stockage de CO2, du réseau électrique et de la ﬁ ssion nucléaire – qui prendront la forme de partenariats public- privé ou de programmes communs entre États membres. 111 Le soleil comme source d’énergie Les déﬁ s technologiques à re- lever par l’Union européenne au cours des dix prochaines années ont été déﬁ nis dans le plan SET (Encart : « L’Europe et le plan SET ») et la produc- tion d’électricité voltaïque y ﬁ gure en bonne place. Les atouts pour la génération d’électricité photovoltaïque reposent en grande partie sur une recherche en plein développement qui permet d’améliorer constamment le rendement des cellules photovoltaïques. Nous avons maintenant pris conscience que nous consommons sans les reconstituer les énergies fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole), dont le stockage s’est effectué durant des millions d’années. C’est la différence des deux vitesses – formation/ consommation – qu’il faut bien avoir à l’esprit : c’est la cause de l’augmentation rapide de la quantité de dioxyde de car- bone dans l’atmosphère, puis dans les mers1 (le cycle dans ce dernier cas est de l’ordre de dix siècles). Nous avons là une des raisons du dévelop- pement du concept des éner- gies renouvelables – l’éolien, l’hydraulique, le solaire, la biomasse2, la géothermie... (Figure 1). Sauf pour la géothermie, le soleil est le plus souvent le véritable réservoir d’énergie des énergies renouvelables : c’est l’énergie solaire qui est à l’origine de la montée en al- 1. Voir aussi l’ouvrage La chimie et la mer, ensemble au service de l’homme. Chapitre de S. Blain. Coordonné par Minh-Thu Dinh- Audouin, EDP Sciences, 2009. 2. Voir le Chapitre de D. Gronier, Encart : « La biomasse, ressource renouvelable de demain ? ». titude de l’eau retenue par les barrages pour faire tourner les turbines ; c’est aussi l’ori- gine des vents et de l’énergie éolienne correspondante, tout autant que de l’échauffement des panneaux solaires ther- miques (et de l’eau chaude qu’ils délivrent dans la mai- son). Ce chapitre est consacré aux panneaux solaires photo- voltaïques, dans lesquels le rayonnement solaire provoque une séparation des charges électriques dans un semi- conducteur3, avec circulation d’un courant électrique (En- cart : « Les panneaux photovol- taïques, ou comment transfor- mer la lumière en électricité »). Il se focalise en particulier sur la ﬁ lière utilisant le silicium cristallin, qui est encore ac- tuellement le semi-conduc- teur le mieux connu et le plus utilisé, tandis que le Chapitre de D. Lincot est consacré aux ﬁ lières sans silicium. Commençons par un rapide état des lieux des différentes technologies photovoltaïques et de leur développement. 3. Voir la note 1 du chapitre 2. Figure 1 Éolien, hydraulique, solaire, géothermie… les énergies renouvelables sont amenées à se développer de plus en plus pour remplacer les énergies fossiles. 112 La chimie et l’habitat LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES, OU COMMENT TRANSFORMER LA LUMIÈRE EN ÉLECTRICITÉ De la découverte de l’effet photovoltaïque aux cellules photovoltaïques C’est A.-C. de Becquerel (Figure 2) qui ﬁ t la première observation d’un photo-courant dès 1839, avec une électrode en platine et l’autre en cuivre oxydé, plongées dans une solution conductrice acide. Les propriétés semi-conductrices du sélénium furent mises en évidence un peu plus tard (1877) par W.G. Adams et R.E. Day. Il fallut attendre le XXe siècle pour voir émerger des résultats importants. La contribution théorique d’A. Einstein fut d’expliquer en 1905, en particulier grâce à la notion du quantum élémentaire d’énergie de Planck porté par le photon, que la longueur d’onde du rayonnement incident doit être inférieure à une valeur limite pour provoquer l’émission d’un électron par un métal, et que le courant d’électrons produit est proportionnel au nombre de photons reçus (au ﬂ ux lumineux). La connaissance de la première « jonction p-n » dans le silicium dut attendre 1941, et l’obten- tion d’une cellule photoélectrique (Figure 3) à bon rendement (construite par les chercheurs du laboratoire américain Bell Telephone Laboratories) s’est faite en 1955. Comme marche un semi-conducteur ? En puriﬁ ant intensivement un composé tel que le silicium (qui comporte quatre électrons périphériques), puis en y introduisant une impureté bien choisie, on obtient un semi- conducteur. Il est dit de type n (comme « négatif ») si l’impureté est uploads/Science et Technologie/ chimie-habitat-109.pdf