L'énergie solaire

Semblable à un réacteur nucléaire, le soleil tire son énergie de la fusion du noyau d'hydrogène qui donne naissance à un noyau d'hélium. Cette réaction produit une énergie incommensurable (à tel point que la petite fraction que nous en recevons chaque jour sur Terre à plus de 150 millions de kilomètres suffirait à subvenir aux besoins en énergie de l'ensemble de l'humanité pendant environ 30 ans).

a. Le solaire thermique : Qui consiste à chauffer un liquide ou un gaz pour en utiliser ultérieurement l'énergie (eau sanitaire, séchage des récoltes, etc.).

b. Le solaire photovoltaïque : Qui utilise la capacité des semiconducteurs à transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique. Si cette transformation ne se fait pas sans pertes (le rendement du photovoltaïque est environ trois fois moindre que celui du thermique), elle permet des applications beaucoup plus larges (transport, alimentation de petits appareils, etc.).

L'énergie solaire spécialement semble, a priori, une solution efficace pour remplacer le pétrole. La production de baril atteint actuellement un pic et les spécialistes pensent qu'elle diminuera pendant les dix prochaines années. L'Union Européenne fixe à 20 % la part des énergies renouvelables en 2020, et 50 % en 2040 [15]. La production d'énergie solaire devrait être l'une des plus importantes, car elle présente de nombreux avantages :

- Le soleil envoi chaque année sur la Terre plus de 40 000 fois les besoins en énergies fossiles de l'humanité. Autant dire une énergie inépuisable, gratuite et omniprésente.

- L'énergie solaire peut aussi bien produire de la chaleur (solaire thermique), et de l'électricité (solaire photovoltaïque).

- Le coût proportionnel est quasi nul : lorsque le panneau solaire est installé, l'énergie ne coûte rien, même si l'investissement et l'entretien représentent des dépenses certaines.

- Contrairement à d'autres ressources énergétiques, l'énergie solaire est décentralisée. Ce qui explique également pourquoi beaucoup d'endroits isolés en disposent déjà.

Le monde occidental se prépare donc à l'avenir en investissant dans cette énergie renouvelable. La France développe actuellement un champ de panneaux solaires en Guyane, et octroie des chauffe-eaux solaires aux habitants. En 2025, la Guyane sera énergétiquement indépendante et l'Espagne construit actuellement le plus grand parc de panneaux solaires d'Europe en Andalousie [15]. Mais qu'en est-il de l'Afrique ? Cette énergie serait également une chance pour ce continent, qui a l'ardeur du soleil comme une de ses richesses. Mais l'Afrique est aussi le continent qui semble le moins disposé à pouvoir en profiter. Il est encore trop tôt pour savoir si le solaire constitue vraiment une alternative au pétrole, mais une chose est sûre, le soleil est l'énergie de l'avenir et la solution la plus prometteuse pour le futur énergétique, de l'humanité. Comme notre travail est porté sur le CuInSe2, l'un des matériaux promoteur dans la conversion photovoltaïque, nous allons dans ce qui suit, mettre l'accent sur l'énergie photovoltaïque, l'un des

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1.2.1 Histoire de l'énergie photovoltaïque

L'énergie photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité. Cette conversion se produit au sein de matériaux semiconducteurs, qui ont comme propriété de libérer leurs porteurs de charge sous l'influence d'une excitation extérieure.

La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par le Français Edmande Becquerel en 1839 [16]. Il a découvrit l'effet photovoltaïque par l'apparition d'un potentiel électrique entre deux électrodes lorsqu'elles sont illuminées. Le mot photovoltaïque trouve ses racines dans le mot grec ; phôtos, qui signifie lumière (photon) et dans ; Volta, nom du physicien italien qui découvrit la pile électrique en 1800.

En 1875, Werner Von Siemens expose devant l'Académie des Sciences de Berlin un article sur l'effet photovoltaïque dans les semiconducteurs. Mais jusqu'à la seconde guerre mondiale, cette découverte reste comme une curiosité scientifique dans les laboratoires. En 1954, la première cellule photovoltaïque en silicium avec un rendement de 4.5 % a été mise au point par des chercheurs du laboratoire Belle aux USA [17]. Par la suite, lors des premiers lancements des satellites et les missions lunaires, les cellules solaires eut un regain d'intérêt et elles sont considérées comme une meilleure solution pour l'alimentation électrique des satellites. En 1958, une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point et les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l'espace. D'autre part, suite à la crise économique des années 1970, la flambée des prix du pétrole en 1973 et les accidents des installations nucléaires Three Mile Island (USA 1979) et Tchernobyl (URSS 1986), ce qui renforcent l'intérêt du grand public envers les énergies renouvelables. En 1973, l'Université de Delaware installe la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques. En 1983, la première voiture alimentée par l'énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 km en Australie. En 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.

La forte pression du programme spatial engendre des progrès très rapides en termes de rendement des cellules photovoltaïques (Voir figure 1.3). De 8 % en 1957, et 9 % en 1958, on atteint 10 % en 1959 pour arriver à 14 % en 1960. Les années soixante voient un ralentissement

les cellules à base de CdS, qui sont au nombre de deux ; les cellules Cu2S-CdS et les cellules CdTe-CdS.

En 1973, les rendements record en laboratoire pour le silicium cristallin étaient déjà de 15 %. Entre 1973 et 1976 débutèrent aussi des couches minces à base de CuInSe2 et à base de silicium amorphe. Celles-ci ont rapidement rattrapé les couches minces déjà existantes à base de CdTe et

Cu2S et ensemble ces quatre filières ont franchi la barrière des 10 % de rendement vers 1980.

Jusqu'au début des années quatre-vingt dix les trois couches minces restantes ont évolué ensemble jusqu'aux environ de 15 %, puis le CuInSe2 a évolué par ajout de gallium en Cu(In,

Ga)Se2 pour devenir le leader avec 18.8 % obtenu en décembre 1999 [18]. Mais les couches

minces n'ont pas rattrapé le silicium cristallin en rendement record, car celui-ci a continué son évolution pour atteindre 24 % de rendement en 1994, et 24.7 % en 1999 [19].

Figure 1.3 : Évolution des rendements record de laboratoire pour les différents types de photopiles [19]. 1990 1980 1970 1960 1950 5 10 15 20 25 0 CIGS Si

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1.2.2 Principes de base de la conversion photovoltaïque