De l’effet photovoltaïque aux cellules photoélectriques

La révolution industrielle a changé le monde ; non seulement l’économie mais aussi nos vies quotidiennes. L’utilisation croissante d’énergies alternatives est en train de changer le monde de la même façon. Qu’on l’appelle la révolution verte, la transition écologique, le recours aux sources alternatives d’énergie ou le sens de l’Histoire, ne change pas le fait que nous sommes entrés dans un nouveau monde.

La consommation d’énergie a augmenté plus vite que la population lors des quarante dernières années et cette progression devrait s’accélérer durant la première moitié du XXI^e siècle, notamment en raison de la croissance en Chine et en Inde. Deux solutions existent : la modération de la consommation et l’utilisation de nouvelles sources d’énergie.

Ces sources alternatives d’énergie doivent toutefois satisfaire à un nouvel impératif : ne pas contribuer au réchauffement climatique. Parmi ces énergies, on distingue généralement le nucléaire des autres sources d’énergie : éolienne, biomasse, hydraulique, solaire (thermique et photovoltaïque) et géothermique.

L’énergie photovoltaïque est une de ces sources alternatives d’énergie. Elle est appelée à devenir une des sources majeures d’énergie du futur en raison de l’électrification du monde. L’énergie photovoltaïque a déjà à son actif de grandes réussites. En effet, elle a apporté l’énergie nécessaire à la conquête spatiale ; sans énergie photovoltaïque, pas de station spatiale internationale, pas de rovers Spirit ou Opportunity sur Mars.

Mais le secteur de l’énergie photovoltaïque est également une activité de haute technologie, changeant rapidement dans un marché à forte croissance et qui requiert, en plus de fortes compétences scientifiques et techniques, de prendre en compte les aspects législatifs, politiques et sociétaux. Il représente donc un fantastique champ d’opportunité pour les ingénieurs du XXI^e siècle.

Afin de pouvoir contribuer de façon significative à son développement, il est nécessaire de partir de la source de cette énergie, le Soleil, et de considérer les facteurs déterminant le potentiel au sol correspondant. La première partie de cet article y sera consacrée. Cette énergie doit ensuite être convertie en électricité au moyen d’une cellule photovoltaïque.

La deuxième partie sera donc consacrée à l’étude de la cellule photovoltaïque, cœur du dispositif de conversion. Afin de comprendre le fonctionnement et les paramètres régissant les performances de cette conversion, un rappel de la physique des semi-conducteurs est le point de départ. On abordera ensuite l’absorption de la lumière par un semi-conducteur et la conversion photovoltaïque assurée par une jonction pn. Des informations concernant les matériaux constituant ces jonctions pn dans les dispositifs photovoltaïques seront ensuite données ; sur le silicium, bien sûr, mais aussi sur des matériaux moins couramment utilisés, sous forme massive comme sous forme de couches minces. Cette deuxième partie finira sur les technologies relatives aux différents éléments qui constituent, en plus de la jonction pn, une cellule photovoltaïque.

La troisième partie sera consacrée aux changements d’échelles puisque l’on abordera les thématiques reliées à l’intégration de cellules au sein d’un module puis d’un panneau, ainsi que celles reliées à l’intégration de panneaux à un système complet.

La dernière partie présentera un rapide panorama du marché du secteur photovoltaïque, ainsi que ses principales caractéristiques.