Dans l’antiquité les Grecs et les Romains savaient utiliser l’énergie solaire pour allumer la flamme des jeux olympiques, ils utilisaient une sorte de miroir parabolique primitif, le skaphia, car pour eux seuls les rayons du soleil étaient assez purs pour allumer cette flamme.
Le philosophe grec Socrate (-470, -399) a enseigné l’architecture bioclimatique en expliquant que les maisons orientées au sud bénéficiaient de la chaleur du soleil en hiver, tandis qu’en été, le soleil se retrouvait quasiment au dessus des toits laissant les maisons dans une extrême fraîcheur [13,15].
On raconte qu’Archimède (-287, -212) réussit à enflammer des bateaux de la flotte romaine qui assiégeait Syracuse en -212, grâce à de nombreux miroirs géants en bronze polis tous orientés sur le même point du navire. Mais ce fait a fait débat au cours des siècles, certains savants jugeant en effet cette histoire improbable. Aujourd'hui on est pourtant presque sûr que cette histoire est un mythe, si l’on en croit l’expérience réalisée par des étudiants du MIT (Massachusetts Institute of Technology) qui ont réitéré l’expérience d’Archimède en 2005 et ont réussit à enflammer en 10 minutes et à 30 mètres une reconstitution de bateau romain, qui cependant était sèche et immobile, ce qui a facilité l'enflamment.
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Le célèbre chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) invente en 1774 un très puissant four solaire dans le but de faire fondre des métaux sans que ceux-ci soient pollués par les produits des combustibles. Pour cela il utilise deux lentilles convergentes montées comme un télescope et dont les foyers sont alignés sur une droite parallèle aux rayons du soleil, et qui lui permettent d’obtenir une température d’environ 1755°C.
Figure 1.2. Le concentrateur à lentilles de Lavoisier (1774).
Le XIXème siècle est marqué par la découverte de l'effet photovoltaïque et le perfectionnement des techniques d'exploitation du solaire thermique, en effet en 1839,
Becquerel découvre pour la première fois l'effet photovoltaïque. Il s’agit de convertir
directement l'énergie solaire en énergie électrique. Becquerel a réalisé des expériences en utilisant des électrodes en acide soluté et en métal noble.
En 1877, W. G. Adams et R. E. Day découvrent l’effet photovoltaïque du sélénium, et
C. Fritts met au point le premier panneau photovoltaïque à base de cellules au sélénium. Il est
surement le premier à croire à l’énorme potentiel de l’énergie solaire. A cette époque, le niveau des connaissances ne permettait pas d’expliquer le fonctionnement de ces dispositifs, et ce n’est qu’en 1905 qu’Albert Einstein publie un article convaincant sur l’effet photoélectrique, ce qui lui a valu le prix Nobel en 1921.
Depuis cette date, les recherches n’amenèrent pas de grands progrès, mais en 1940,
Adler, reprenant une idée émise par Garrison en 1923, montre que la tension de circuit ouvert
d’une cellule photovoltaïque varie comme le logarithme de l’intensité d’illumination, alors que le courant varie d’une façon linéaire. Auer et Kerschbaum. R. S Ohl décrit, en 1941, la première réalisation d’une jonction (PN) dans le silicium à effet photovoltaïque, mais il a fallu attendre 1954 pour que des chercheurs des Bell Téléphone Laboratoires (Etats-Unis), D. M.
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Chapin, C. S. Fuller et G. L. Pearson, annoncent et déposent un brevet en 1957 sur la mise au
point d’une cellule dont le rendement de conversion énergétique atteint 6%, marquant ainsi véritablement la naissance de l’électricité photovoltaïque [16].
Dans les années 70 et 80, les programmes de recherches gouvernementaux en Amérique, en Europe et au Japon ont l’idée de construire des grandes centrales solaires [17]. Mais un ingénieur suisse, Markus Real met en avant l’idée qu’il serait beaucoup plus économique que chaque particulier ait ses propres panneaux solaires. Il arrive à prouver son idée en faisant installer des panneaux solaires sur 333 toits à Zurich. Son opération est un succès et depuis plusieurs gouvernements financent des plans énergétiques pour inciter leurs citoyens à installer des panneaux solaires sur leur toit.
Ensuite, la situation a été changée radicalement. Des grandes améliorations ont permis l’augmentation de l'efficacité de la conversion d'énergie, réduisant ainsi les coûts des cellules, par l’utilisation de différents matériaux de semi-conducteurs. Un rendement maximum de conversion de l’énergie photovoltaïque pour les cellules solaires monocristallines à base de silicium, a été atteint en 1988 avec une valeur de 22.8%, sans qu’il y ait utilisation de concentrateur solaire, et ceci en laboratoire. Le rendement le plus élevé a été obtenu pour une cellule cristalline de l'arséniure de gallium (GaAs) avec une efficacité de 31% avec un éclairement solaire équivalent à 350 W/m² (1988).
D’autres types des cellules solaires sont celles appelées couches minces qui se composent de CuInSe, et cellules amorphes de silicium. Ces deux types ont permis une efficacité de plus de 14%. Les nouvelles technologies de production ont réduit le prix de vente des cellules photovoltaïques, ce qui a permis à l’industrie PV de se développer.
En 2009, la production énergétique mondiale due au photovoltaïque est de 10.66 GW. Les cellules solaires majoritairement produites sont celles à base de silicium mono et poly cristallin avec un coût de production de 1.5 $ par watt mais des progrès sont également faits dans le domaine des cellules solaires à couche mince qui coûtent 0.76 $ par watt et atteignent un rendement d’environ 20% [18].
Aujourd’hui la R&D du photovoltaïque s’intéresse à la possibilité de produire des cellules solaires à partir de matériaux organiques qui auraient l’avantage d’être beaucoup moins cher et plus flexibles que les cellules à base de silicium. En 2013, on parvient à avoir des rendements de presque 9% avec des cellules organiques à base de polymère. Mais la difficulté de production de ces matériaux entraine la recherche dans le solaire vers la possibilité de construire des cellules solaires à partir de molécules organiques simples. C’est ce que parviennent à faire les chercheurs de l’institut Moltech-Anjou en réalisant une cellule
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solaire à base d’une molécule dont la synthèse présente d’excellent rendements en masse et dont la conversion en électricité atteint les 4 %.
Plusieurs facteurs sont responsables de cette évolution tels que l'augmentation mondiale de la demande énergétique et le fait que les sources d'énergie fossiles sont périssables et de plus en plus chers. Une autre question importante est l'impact des technologies classiques de la production d'énergie sur l’environnement (pollution de l'air et l’effet de serre qui en résulte). L énergie nucléaire est elle-même source de problèmes tels que la radioactivité et les déchets nucléaires.
En contre partie, l'avantage de l'énergie produite par les cellules photovoltaïques est la production d'énergie propre et durable et son avenir est prometteur.