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Énergie solaire photovoltaïque et transition énergétique

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Daniel Lincot

Énergie solaire photovoltaïque et transition énergétique

Leçon inaugurale prononcée au Collège de France le jeudi 20 janvier 2022

Daniel Lincot

Texte intégral

Monsieur l’Administrateur,
Monsieur le Président du CNRS,
Monsieur le Directeur général de la fondation Liliane Bettencourt Schueller,
Chers collègues et amis,
Mesdames, Messieurs,

1Je vous remercie, Monsieur l’Administrateur, pour votre introduction, qui m’a particulièrement touché. Vous avez rappelé les liens profonds qui unissent l’humanité au soleil et à son énergie, tout au long de l’histoire et des civilisations. Ils prennent une dimension inédite aujourd’hui avec le développement à grande échelle des nouvelles énergies renouvelables issues de l’énergie solaire. Mes remerciements vont aussi à la fondation Liliane Bettencourt-Schueller pour m’avoir confié la responsabilité de la chaire Innovation technologique 2021-2022. Je tiens à remercier les professeurs du Collège de France pour leur invitation et leur soutien. Je voudrais remercier le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) pour son engagement à mes côtés tout au long de ces années, ainsi que l’École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech) et les différentes institutions et entreprises, en premier lieu EDF, avec lesquelles j’ai travaillé. Enfin, je remercie les collègues et amis qui m’ont accompagné dans ce long parcours. Il me mène aujourd’hui à présenter devant vous le thème « Énergie solaire photovoltaïque et transition énergétique », ce qui est aussi un aboutissement.

Introduction

  • 1  Emma Carenini, Soleil. Mythes, histoire et sociétés, Paris, Le Pommier, 2022.
  • 2Rapport du GIEC, Climate Change 2022 – Mitigation of Climate Change – Summary for Policy Makers, G (...)

2Le Soleil a toujours fait rêver l’humanité et accompagné les civilisations humaines1. Considéré très souvent comme de nature divine, il est source de lumière, de chaleur et de vie. En effet, sans sa lumière, la Terre serait restée un astre mort, plongé dans la nuit et le froid sidéraux. La lumière, c’est cette énergie absolument considérable dans laquelle baigne notre planète, qui la réchauffe, qui nous nourrit grâce aux plantes issues de la photosynthèse, qui nous apporte le vent, la pluie ; celle qui nous a permis récemment de nous déplacer, de transformer notre environnement largement au-dessus de nos moyens physiologiques, grâce aux énergies fossiles également issues de la photosynthèse. L’énergie solaire est à la base, non seulement de l’énergie utilisée par l’humanité, mais également de ce que nous mangeons, des forêts et des plaines qui nous entourent. Nous sommes faits et vivons de la lumière solaire. Cependant, l’humanité est aujourd’hui menacée par les conséquences de son utilisation sous ses formes dérivées fossiles, charbon, pétrole et gaz, qui libèrent par combustion l’oxyde de carbone responsable du changement climatique, cette menace immédiate à laquelle nous devons faire face2.

  • 3Ibid.

3C’est pourquoi il est urgent d’engager une transition énergétique au niveau mondial en quelques années seulement3. Énergie solaire et transition énergétique sont donc intimement associées dans la situation actuelle par le rôle du charbon et du pétrole qui en sont issus. L’objet de mon propos, c’est que cette association au niveau de la cause doit devenir une association pour mettre en œuvre la solution : étant à l’origine des énergies fossiles, l’énergie solaire peut et doit impérativement devenir le moteur de la transition énergétique décarbonée. Ma thèse est que la transition énergétique sera solaire. Pour cela, l’humanité dispose de nouveaux moyens techno­logiques permettant de capter l’énergie solaire à grande échelle, en se branchant directement « au fil de l’eau » sur les flux de lumière ou de leurs dérivés grâce aux énergies renouvelables. Parmi celles-ci, la conversion photovoltaïque, grâce aux cellules solaires, est entièrement nouvelle, contrairement aux conversions éolienne ou hydraulique, connues et exploitées depuis la nuit des temps. Son potentiel de développement est considérable et encore méconnu. Cela pourrait être pour l’humanité, toute proportion gardée, un peu comme la maîtrise du feu il y a 400 000 ans. C’est la raison pour laquelle j’ai choisi de lui consacrer toute mon attention.

  • 4  Alexandre Edmond Becquerel, « Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumière sol (...)
  • 5John Perlin, From Space to Earth. The Story of Solar Electricity, Ann Arbor, Aatec Publications, 1 (...)

4Nous allons rappeler l’histoire de cette technologie, de sa découverte par Edmond Becquerel en 19394 à sa mise en œuvre dans les applications spatiales à partir de 1958, puis son essor dans les applications terrestres5. Ce développement n’aurait pas été possible sans les avancées scientifiques fondamentales majeures qui ont été réalisées dans le domaine de la physique et des matériaux et l’implication de chercheurs passionnés.

  • 6  Alexandre Herléa (dir.), L’Énergie solaire en France, Aubervilliers, Éditions du Comité des travau (...)
  • 7  « Le soleil au service de l’humanité », actes du symposium « L’énergie solaire photovoltaïque et s (...)
  • 8  Groupe de Bellevue, Projet Alter. Étude d’un avenir énergétique pour la France axé sur le potentie (...)
  • 9Rapport IPCC, Renewable Energy Sources And Climate Change Mitigation – Special Report of the Inter (...)

5Le recours à l’énergie solaire, il y a une cinquantaine d’années, au moment du premier choc pétrolier en 1973, a été largement proposé pour faire face à cette première alerte concernant l’urgence d’une transition énergétique. Elle concernait déjà les énergies fossiles (pétrole), mais pour des raisons d’indépendance énergétique et non encore de changement climatique. Malgré un début de développement au niveau mondial, avec l’éolien et le solaire thermique (aussi appelé « solaire thermodynamique »), où la France était leader avec le four d’Odeillo et ensuite le projet Themis6, l’essor a ensuite été bloqué par le retour du pétrole peu coûteux et le choix du tout nucléaire, ouvrant une période de près de trente ans de stagnation pour celles-ci. Cependant, en juillet 1973, s’est tenu à Paris, à l’Unesco, le congrès international intitulé « Le soleil au service de l’humanité », qui a marqué le retour symbolique des bienfaits de la lumière solaire dans les enjeux pour la planète, non seulement au niveau énergétique, mais aussi sur le plan de la santé, de l’alimentation et de l’urbanisme. Un symposium organisé par le Centre national d’études spatiales (CNES) fut consacré au photovoltaïque. Intitulé « L’énergie photovoltaïque et ses applications dans l’espace et sur Terre », il a symbolisé l’acte de naissance du photovoltaïque terrestre7. À vrai dire, compte tenu de ses coûts très élevés et de son développement industriel encore insuffisant, l’énergie solaire photovoltaïque n’était pas vraiment en mesure de fournir une solution immédiate à la crise énergétique. Son utilisation terrestre à grande échelle relevait encore du rêve. Ce rêve de recours à l’énergie solaire était porté à travers le monde par de nombreux chercheurs et acteurs visionnaires de la société, qui envisageaient déjà des scénarios pour l’avenir8. Pour beaucoup d’entre eux, l’immensité de la ressource solaire et sa répartition universelle étaient des raisons scientifiques évidentes et suffisantes pour s’engager à développer à grande échelle le photovoltaïque terrestre. À l’instar des chercheurs qui s’engagent pour lutter contre une maladie, la recherche sur le photovoltaïque était portée par le sentiment d’agir pour le bien commun. Aujourd’hui, la crise climatique, beaucoup plus grave, a pris le relais de la crise pétrolière de 1973. Heureusement, grâce aux avancées scientifiques et technologiques considérables réalisées depuis, la conversion photovoltaïque est aujourd’hui au rendez-vous de l’histoire. Une responsabilité nouvelle incombe aux chercheurs, celle d’accompagner son développement au sein de la société, pour qu’elle devienne l’innovation dont la transition énergétique a aujourd’hui urgemment besoin9.

  • 10  Voir par exemple Jean-Marc Jancovici, « Du business sans énergie et sans climat ? », conférence du (...)

6Je commence souvent mes exposés par un dessin humoristique qui pose bien la problématique. Il s’agit de deux personnes dans un désert, sous un soleil de plomb, qui s’interrogent : « Il doit y avoir une source d’énergie ici ? » Effectivement, étant donné la situation dramatique dans laquelle ils se trouvent, il n’y a pas d’énergie accessible qui leur permettrait de survivre dans ces conditions. Sans possibilité de transformation, la lumière solaire, abondante et mortelle, ne peut réaliser aucun travail utile aux personnages pour se protéger, comme se déplacer et se mettre à l’abri, ou comme faire fonctionner un climatiseur. Lors du colloque « Climat, énergie et société », organisé le 9 novembre 2015 par le Collège de France à l’occasion de la COP21, j’avais déjà évoqué qu’une énergie sans moyens de captage et de transformation était inutilisable, fusse-t-elle immensément abondante, J’avais étendu le raisonnement en réinterprétant la fable de La Fontaine « La cigogne et le renard » : dans les deux cas l’énergie solaire transformée en nourriture leur assure la survie avec une énergie assimilable. Ceci dit, que ce soit pour la cigogne ou le renard, s’ils n’ont pas les bons instruments (le vase à col long pour l’une et l’assiette pour l’autre), ils n’auront pas non plus accès à l’énergie. La morale de l’histoire est que c’est à l’humanité de s’adapter aux ressources énergétiques que la nature lui apporte grâce à son intelligence et sa technique, non pas le contraire, comme nous y incitent les biais engendrés par la révolution industrielle. Quand on entend dire aujourd’hui que l’énergie solaire et les énergies renouvelables ne seraient pas crédibles pour la transition énergétique en raison d’intermittence, de dilution, de « non-pilotabilité », d’énergies du passé, cela donne à réfléchir10. Est-ce du déni, des intérêts divergents, ou parfois simplement de l’ignorance ? Nous allons donc parler d’énergie, de puissance. Il est bon de rappeler que l’énergie, c’est ce qui permet d’effectuer un travail, de se chauffer, de se déplacer, d’utiliser un ordinateur, elle peut prendre différentes formes : lumière (électro­magnétique), chaleur (thermique), électrique, gravitationnelle (pesanteur), chimique, etc. On peut heureusement toutes les ramener à la même unité de mesure, le joule (d’après James Prescott Joule, 1843), noté J. Pour effectuer un travail donné, on sait qu’on le fera d’autant plus vite que l’on dispose d’une machine puissante. La relation entre les deux est très simple : l’énergie, c’est tout simplement la puissance multipliée par le temps. Elle s’exprime en watt (d’après James Watt, 1763), noté W, et donc un joule, c’est l’action d’une puissance d’un watt pendant une seconde. On l’exprime aussi avec une unité plus commode, le kilowatt-heure (noté kWh), qui correspond à mille joules pendant une heure, soit 3,6 millions de joules (MJ) (fig. 1). L’encadré suivant présente des exemples concrets des grandeurs associées.

Figure 1. Relation entre puissance et énergie.

Figure 1. Relation entre puissance et énergie.

Encadré 1. Exemples de puissances et d’énergie.

1 cheval (CV) : 735 W

1 personne en activité : 200 W (0,27 CV)

1 voiture : 100 CV soit 73500 W (73,5 kW)

1 centrale électrique : 1 GW, soit 1,36 millions CV

L’humanité : 17000 GW (17 TW)

La lumière solaire sur 1 m2 : 1000 W

La lumière solaire sur 1 km2 : 1 GW

Consommation d’une personne par jour : 2,3 kWh

Consommation d’une voiture électrique : 17 kWh pour 100 km

1 tonne montée de 367 m : 1 kWh

1 tonne de pétrole : 11630 kWh (11,6 MWh)

1 tonne de charbon : 8 120 kWh (8,12 MWh)

1 litre d’essence : 9,6 kWh

10 litres d’eau bouillante : 1 kWh

100 g de Nutella : 0,6 kWh

L’énergie d’un photon (ordre de grandeur) : 1,6 10−19 J = 4,4 10-26 kWh = 1ev

L’énergie reçue en plein soleil pendant une heure sur 1 m² : 1 kWh

La ressource solaire

7Nous disposons d’une source d’énergie pratiquement illimitée en quantité et dans le temps : celle d’une étoile, le Soleil, de laquelle nous recevons sur Terre toute notre énergie sous forme de lumière. La distance de 150 millions de kilomètres qui les sépare, très grande à l’échelle humaine, est idéale pour que notre planète soit habitable. Le Soleil est un immense réacteur de fusion nucléaire qui transforme chaque seconde 619 millions de tonnes d’hydrogène en hélium, libérant une énergie considérable sous forme de lumière dans tout l’espace. À la distance de la Terre, chaque mètre carré exposé au Soleil dans l’espace reçoit ainsi 1360 W de puissance lumineuse, dont la Terre, avec ses 12 700 km de diamètre n’intercepte qu’une infime partie, telle un grain de riz collé à l’enveloppe d’un stade olympique, soit 170 000 TW (1 tera = 1012) hors atmosphère et 120 000 TW au niveau du sol. La puissance de 17 TW associée à l’activité humaine est minuscule à cette échelle. Elle correspond à celle que reçoit un carré de 110 km de côté dans l’espace immédiat de notre planète ! Nous baignons dans une immense fontaine d’énergie d’origine extraterrestre, qui échappe de fait à la finitude des ressources terrestres. Peut-être qu’à l’avenir serons-nous capables d’aller y puiser juste au-dessus de nos têtes, où l’intermittence terrestre a disparu ? Mais, sans attendre cela, qui reste encore du domaine de la science-fiction, nous avons déjà toute l’énergie solaire qu’il nous faut au niveau du sol pour répondre à l’urgence climatique actuelle.

Puissance et énergie

8Après la traversée de l’atmosphère, la puissance standard au niveau du sol par temps clair et perpendiculairement aux rayons solaires est de 1000 W par mètre carré. Cependant, les conditions d’accès à cette ressource sont complètement modifiées du fait de l’alternance jour-nuit, des saisons, du climat et de la localisation géographique, et il faut s’y adapter. En moyenne, la puissance reçue sur toute une année par mètre carré de surface horizontale varie de 50 W pour les zones les plus septentrionales à plus de 300 W/m2 pour les zones plus proches de l’équateur, avec de nombreuses différences locales.

9Il est plus facile de convertir cette puissance moyenne en énergie annuelle reçue en mégawatt-heure par mètre carré et par an (fig. 2). Elle va de 0,8 MWh au nord de l’Europe à 2,7 MWh dans le Sahara, selon un rapport de 1 à 3 environ, moins important que ce que l’on pense généralement. En France, la moyenne est de 1,3 MWh. Il est intéressant de considérer également la distribution dans les zones maritimes et océaniques, qui est rarement présentée dans les cartes d’ensoleillement, avec également des zones entières de très forte irradiance au niveau océanique.

10Pour 1,7 MWh (environ 200 W/m²), la surface recevant l’énergie consommée par l’humanité correspond à 85 000 km2 soit un carré de 291 km de côté. Si 20 % de cette énergie peut être convertie en électricité, ce qui correspond aux standards actuels du photovoltaïque, on passe alors à 425 000 km2, soit un carré de 650 km de côté, ce qui se rapproche de la surface de la France. Cela peut sembler beaucoup, mais c’est en fait très peu à l’échelle mondiale, car cette surface, plutôt que d’être concentrée au même endroit, peut être distribuée en une multitude de petits carrés, voire de « microcarrés » allant jusqu’aux toits des maisons. La distribution de la ressource est donc, contrairement aux idées reçues, un avantage, car elle permet un accès décentralisé parfaitement intégré dans la société. Il faut rappeler qu’en France ce sont près de 9 % du territoire qui sont artificialisés, soit environ 50 000 km2, et que la consommation totale en énergie primaire actuelle (2571 TWh en 2020), dont les trois quarts sont carbonés, correspondrait environ à 15 000 km2 équipés de systèmes photovoltaïques à 15 % de rendement. Il y a donc même de la marge. Les mers et les océans pourraient également constituer des sources de production d’énergie solaire considérables grâce à du photovoltaïque offshore, à l’instar de l’éolien offshore. Il y a aussi des controverses entre ceux qui privilégient le développement de grandes installations et ceux qui privilégient les petites installations. On dispose en fait de deux systèmes complémentaires, l’un centralisé à l’image du système actuel, et l’autre qui s’appuie sur des sources décentralisées, rendu possible par la nature distribuée de l’énergie solaire. Les deux ont leur rôle à jouer et ne doivent pas s’exclure mutuellement.

Figure 2. Distribution spatiale de l’irradiation annuelle globale sur plan horizontal en kilowatt-heure par mètre carré et par an.

Figure 2. Distribution spatiale de l’irradiation annuelle globale sur plan horizontal en kilowatt-heure par mètre carré et par an.

Source : Mines Paris-PSL.

  • 11  Voir par exemple, pour le cas de Paris : Ville de Paris, « Cadastre solaire », https://capgeo.sig. (...)
  • 12Ibid.

11Au-delà des estimations à grande échelle de la ressource solaire, de nombreux progrès ont été faits pour cartographier de façon plus précise celle-ci au niveau local, à l’échelle même d’une maison individuelle, d’un quartier ou d’une ville. On trouve de plus en plus de cadastres solaires pouvant servir de base aux projets locaux11. Le suivi en temps réel de la ressource solaire a aussi fait de grand progrès grâce à l’utilisation de satellites, d’outils de mesure et de traitement de données de plus en plus performants12. Cela permet, comme pour la météo, une prévision de la ressource à l’échelle de quelques heures ou de quelques jours, ce qui est particulièrement utile pour le couplage dynamique avec les réseaux intelligents. Ainsi, nous disposons aujourd’hui d’une connaissance de plus en plus approfondie de la ressource solaire à l’échelle locale ou plus globale, ainsi que d’outils de prédiction de ses variations à différentes échelles de temps. Nous avons donc réuni de premiers moyens pour nous adapter à elle et franchi la première étape nécessaire à la maîtrise de sa transformation : connaître la puissance énergétique en tout lieu et en tout instant.

12Enfin, outre son pouvoir énergétique global, aisément converti en chaleur et utilisable dans des convertisseurs thermiques, la conversion directe de la lumière en électricité nécessite la connaissance et la mise en œuvre de ses propriétés intimes, électro­magnétiques et quantiques, portées par des photons allant de l’ultra­violet au visible et à l’infra­rouge, et qui seront exploitées dans les cellules photovoltaïques (fig. 3).

Figure 3. Distribution de la puissance lumineuse en fonction de la longueur d’onde dans le spectre solaire.

Figure 3. Distribution de la puissance lumineuse en fonction de la longueur d’onde dans le spectre solaire.

Source : distribution de la puissance lumineuse en fonction de la longueur d’onde dans le spectre solaire, schéma de Degreen, Baba66 et Éric Bajart, Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/​w/​index.php?lang=fr&title=File%3ASonne_Strahlungsintensitaet.svg.

La conversion thermique de l’énergie solaire

  • 13John Perlin, Let it shine. The 6000-Year Story of Solar Energy, Novato, New World Library, 2013.
  • 14  Augustin Mouchot, La Chaleur solaire et ses applications industrielles [Gauthier-Villars, 1869], P (...)
  • 15  Émile Zola, « Travail », 1901, in : Bulletin d’histoire de l’électricité, no 24, 1994, p. 79-98, h (...)
  • 16  Marcel Perrot, La Houille d’or ou L’Énergie solaire, Paris, Fayard, 1963 ; François Pharabod, « De (...)

13L’utilisation du pouvoir énergétique de la lumière a fasciné l’humanité depuis la nuit des temps13, avec par exemple le cas des miroirs d’Archimède embrasant la flotte romaine à Syracuse en 213 avant notre ère. Ce procédé suscite de nouveau l’intérêt à la Renaissance : en 1561, Léonard de Vinci a pour projet d’utiliser un miroir de 6 km de diamètre pour alimenter en chaleur l’industrie textile. En 1642, Athanasius Kircher refait des essais concluants avec des miroirs orientables, probablement utilisés par Archimède. Mais ce n’est qu’un siècle plus tard, en 1747, après de multiples controverses, que la puissance de la lumière est démontrée de façon spectaculaire par Buffon – en présence de Louis XVI –, qui fonde des objets à distance grâce à des miroirs orientables également. Lavoisier, en 1774, répètera ces expériences à l’aide de lentilles géantes (fabriquées par Saint-Gobain). Il faudra attendre le début du xixe siècle pour que la puissance associée, proche de 1000 W/m2, soit déterminée par John Herschel au cap de Bonne-Espérance en 1834, puis Claude Pouillet en 1838 à Paris par des expériences sur la vitesse de fonte de la glace en plein soleil. À la fin du xixe siècle, les applications industrielles de la chaleur solaire commencent à se développer, initiées en France par Augustin Mouchot et relatées dans un livre exceptionnel rédigé en 186914. Ses travaux culmineront avec l’imprimerie solaire fonctionnant sous concentration ; celle-ci sera couronnée à l’Exposition universelle de 1878. Le solaire thermique, appelé aussi « thermodynamique », était né, et connaîtra son apogée au début du xxe siècle. Émile Zola en fera même la base d’une utopie énergétique dans sa publication intitulée « Travail », parue en 190115. Le pétrole et le charbon en provoqueront le déclin, avant qu’il ne renaisse après la Seconde Guerre mondiale avec les centrales à concentration. La France était leader dans ce domaine sous l’impulsion de Félix Trombe et la réalisation de la centrale d’Odeillo grâce au CNRS en 1968, véritable « cathédrale du soleil », issue des grands projets initiés par le général de Gaulle au sortir de la Seconde Guerre mondiale16.

14Après un pic dans les années 1980, avec la construction de la centrale Themis en France avec le CNRS et EDF (arrêtée en 1986), le solaire thermodynamique est ensuite entré dans une période de repli pratiquement total car peu adapté aux conditions climatiques en zones tempérées (moins de rayonnement direct), devant faire face au retour d’une énergie peu chère et abondante avec le pétrole, mais aussi au choix porté sur le nucléaire. Il renaît aujourd’hui dans le contexte de la crise climatique, en particulier avec la technologie des miroirs cylindro­paraboliques à tour ou de Fresnel. Un exemple de réalisation est donné par le projet Noor (« lumière ») au Maroc, qui teste différentes technologies17. Contrairement aux prévisions du début du xxie siècle, la conversion thermique à concentration a cédé sa place de leader à la conversion photovoltaïque, du fait du coût de production de l’électricité plus élevé. N’oublions pas aussi le solaire thermique à basse température produisant de l’eau chaude, que l’on retrouve dans de nombreux pays du Bassin méditerranéen, et qui s’adapte très bien en toiture.

La conversion photovoltaïque de l’énergie solaire

La découverte de l’effet photovoltaïque

  • 18  « Sans décider si les rayons du soleil sont ­eux-mêmes du feu, ou s’ils ne font qu’imprimer au feu (...)

15La nature de la lumière est longtemps restée mystérieuse ; même son pouvoir chauffant intrinsèque a été contesté18 ; il a fallu attendre les expériences de Horace Benedict de Saussure en 1767 pour le prouver.

  • 19  Edmond Becquerel, « Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumière solaire au mo (...)
  • 20  François Arago, Rapport de M. Arago sur le daguerréotype, lu à l’Académie des sciences et à la Cha (...)

16On distinguait alors trois types de rayonnements : le rayonnement visible, « la lumière qui se voit » ; le rayonnement calorique, « la lumière qui chauffe » ; et le rayonnement chimique, « la lumière qui transforme la matière », sans faire le lien entre les trois. Le dernier était sans doute le plus mystérieux avec l’exemple du noircissement du chlorure d’argent sous éclairement solaire (Carl Wilhelm Scheele en 1770). Initialement sous forme de poudre blanche, celui-ci noircit sous éclairement solaire, contenant des ultraviolets, attestant d’une transformation chimique. Sous rayonnement calorique (infrarouge), en chauffant à haute température, il fond, mais ne noircit pas, ce n’est donc pas la chaleur qui provoque la transformation chimique. En 1800, voyant que le thermomètre répondait dans la zone infrarouge du spectre, William Herschel découvre l’origine des rayons caloriques. C’est en 1801 que Johann Wilhelm Ritter, également grâce à des expériences sur le chlorure d’argent, attribue les rayons chimiques n’agissant que dans le bleu à la partie avant le visible du spectre solaire, par symétrie l’infrarouge : la boucle était bouclée avec l’hypothèse des rayons ultraviolets. Le chlorure d’argent, connu par les alchimistes (1566) sous le nom de « lune » ou d’« argent corné », sera ensuite au cœur de la mise au point de la photographie en France (N. Niepce, 1816 ; N. Daguerre, 1835), mais aussi de la découverte de l’effet photovoltaïque par Edmond Becquerel en 183919, dans l’extraordinaire bouillonnement scientifique, technologique et politique de l’époque autour de l’Académie des sciences, personnifié par François Arago, qui rendit public le procédé photographique20.

  • 21  Loïc Barbo, Les Becquerel, une dynastie de scientifiques, Paris, Belin, coll. « Les génies de la s (...)
  • 22  Edmond Becquerel, « Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumière solaire au mo (...)
  • 23Ibid.

17Pour découvrir l’effet photovoltaïque, il fallait l’autre apport essentiel, celui de l’électricité issu des travaux d’Alessandro Volta sur les piles galvaniques en 1800 et d’André-Marie Ampère sur la mesure des courants électriques. Antoine Becquerel, le père d’Edmond, réputé pour ses travaux dans le domaine de l’électrochimie, fonda en 1838 le laboratoire de physique appliquée au Muséum national d’histoire naturelle, où il fut nommé professeur. Il engagea son fils comme assistant préparateur21. C’est là qu’Edmond mena ses recherches, à l’interface lumière/électricité, avec l’objectif de déceler si l’illumination par la lumière solaire d’électrodes plongées dans un électrolyte pouvait conduire à l’apparition d’un courant électrique. Dans son premier article publié le 30 juillet 183922, il se réfère aux travaux de Madame de Sommerville puis de M. Biot et indique que sa méthode permettra de s’affranchir de l’observation des teintes du chlorure d’argent : « on n’en aura plus besoin […] puisque cet effet sera mesuré par l’intensité du courant électrique produit dans l’action de la lumière sur les parties constituantes des corps ». C’est dans son deuxième article publié trois mois plus tard23, en utilisant une petite cuve en bois remplie d’eau légèrement acide et dans laquelle plongeaient deux électrodes métalliques (fig. 4) recouvertes d’une couche d’iodure ou de chlorure d’argent, qu’il mesura, grâce à un galvanomètre de qualité exceptionnelle (30 000 spires) et aux travaux d’Ampère, l’apparition de très faibles courants sous éclairement. Il découvrit ainsi l’effet photovoltaïque, en mettant bien en évidence l’effet de seuil lié à la longueur d’onde, que retrouvera Henri Herz en 1887 avec l’effet photoélectrique dans le vide (fig. 5).

Figure 4. Cellule électrochimique utilisée par Edmond Becquerel pour la découverte de l’effet photovoltaïque.

Figure 4. Cellule électrochimique utilisée par Edmond Becquerel pour la découverte de l’effet photovoltaïque.
  • 24Ibid.

Figure 5. Influence de la longueur d’onde sur le photocourant généré (l’ancêtre de la réponse spectrale) illustrant l’effet photoélectrique, présentée dans la publication originale24.

Figure 5. Influence de la longueur d’onde sur le photocourant généré (l’ancêtre de la réponse spectrale) illustrant l’effet photoélectrique, présentée dans la publication originale24.
  • 25  Edmond Becquerel, La Lumière, ses causes et ses effets, Paris, Librairie Firmin Didot frères, t. 1 (...)

18Il fabriqua ensuite, en 1841, un appareil destiné à mesurer électriquement l’intensité de la lumière, l’actinomètre électro­chimique, sur ce principe, qui fut rapidement abandonné et remplacé quelques décennies plus tard par les systèmes basés sur la photo­conductivité du sélénium. Il consacra toute sa vie en tant que professeur à l’étude de la lumière25, en particulier à la photographie (il réalisa la première photographie en couleur en 1848) et aux phénomènes de luminescence (il introduisit les méthodes spectroscopiques et inventa un appareil qui fera date, le phosphoroscope). Le photovoltaïque restera une parenthèse de jeunesse dans son œuvre.

  • 26  Symposium « Edmond Becquerel, une passion pour la lumière », Paris, 7 décembre 2020, IPVF, https:/ (...)

19Cette passion pour la luminescence des matériaux, que son père partageait également, il la transmit ensuite à son fils Henri, ce qui déboucha sur la découverte de la radioactivité naturelle, également au Jardin des plantes en 1896, ce qui lui valut en 1903 le prix Nobel de physique avec Pierre et Marie Curie. L’histoire se prolongea avec le fils de Henri, Jean, qui travailla sur les très basses températures. Malheureusement, la découverte d’Edmond Becquerel, pourtant reconnue dans le monde entier, est passée sous le radar de l’histoire en France. Contrairement à son père et à son fils, il n’a pas une rue, pas une place à son nom. Souvent même ses travaux sont attribués à son père. Heureusement, à l’occasion du 200e anniversaire de sa naissance en 2020, nous avons organisé avec Bertrand Lavédrine, professeur au Muséum national d’histoire naturelle, un symposium en son honneur26. Une plaque commémorative a été apposée sur le mur de son laboratoire, rue Cuvier, à quelques mètres de celle de son fils Henri.

Le photovoltaïque dans l’histoire de l’énergie

20Si l’on remonte à 1800, les énergies existantes sont essentiellement les énergies humaine ou animale, et les énergies indirectes issues du Soleil, chaleur avec la biomasse, hydraulique avec l’évaporation et mécanique avec le vent. Ce sont des énergies renouvelables. Vers 1850 apparaissent les énergies fossiles issues de la photosynthèse avec le charbon. Le pétrole et le gaz seront introduits plus tard, respectivement vers 1900 et 1930. L’introduction de la machine à vapeur commerciale par Thomas Newcomen en 1711 en Angleterre, puis son perfectionnement par James Watt entre 1780 et 1800, va enclencher l’ère industrielle. L’invention de l’alternateur en 1882 par Nikola Tesla permettra une avancée majeure avec la production directe d’électricité, et donc l’introduction du vecteur électrique. Ensuite, vers 1960 apparaît l’énergie nucléaire, exploitant la fission de l’uranium présent dans la croûte terrestre et issu de la fusion stellaire. Il faut attendre le début des années 2000 pour voir une nouvelle source d’énergie apparaître dans le paysage énergétique mondial, il s’agit de l’énergie solaire photovoltaïque, tandis que l’éolien connaît une renaissance, passant des moulins à vent de la butte Montmartre aux grandes machines modernes.

  • 27  Paul Mathis, Biocène. Comment le vivant a co-construit la Terre, Paris, Le Pommier, 2021.

21Cependant, la conversion photovoltaïque n’est pas récente et n’est pas née avec la découverte d’Edmond Becquerel. C’est à la nature elle-même que l’on doit sa découverte et son utilisation depuis des milliards d’années, ce qui a façonné le monde terrestre grâce à un processus extraordinaire : la photosynthèse. Celle-ci utilise une « goutte de lumière » dans l’immense déversement d’énergie sur Terre, seulement 40 TW sur près de 120 000 TW, et représente son unique voie de transformation chimique face aux géants de la transformation physique (c’est-à-dire sans transformation chimique) que sont la chaleur, le vent et l’eau. Néanmoins, c’est cette petite « goutte de lumière » qui est à l’origine, non seulement de la végétation qui nous entoure, mais aussi des énergies fossiles. En fait, la photosynthèse est née avec la mise au point par la nature du photovoltaïque moléculaire, fondé sur la chlorophylle, avec l’apparition des cyanobactéries il y a près de 2,5 milliards d’années. Ce sont celles-ci qui transformèrent l’atmosphère, initialement riche en CO2, en celle riche en oxygène que nous connaissons aujourd’hui, avec en parallèle la formation de quantités considérables de biomasse, aujourd’hui fossilisée27 (pétrole, charbon, gaz). Ainsi la conversion photovoltaïque est-elle à la source de l’atmosphère actuelle et des énergies fossiles. On peut donc considérer avec humour que la chaîne énergétique de l’humanité repose sur la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire de l’Antiquité à nos jours, et que sa maîtrise est la dernière née des conquêtes humaines en matière d’énergie, celle de la transformation directe du « feu solaire ».

L’interaction photon-matière

22L’énergie lumineuse est portée par les photons. Ces grains de lumière, introduits par Albert Einstein en 1905 pour expliquer les effets de seuil en photoconductivité (H. Herz, 1887 ; P. Lenard, 1902), portent chacun une énergie dépendant de la longueur d’onde suivant la célèbre formule de Planck E = 1,26 / λ dans laquelle E est exprimé en eV (électronvolt, 1,26 10−19 J) et λ en micron. Elle augmente lorsque l’on passe de l’infrarouge (λ > 0,8 μm) au visible (0,4-0,8) puis à l’UV (λ < 0,4 μm), de 0,5 eV à 3,5 eV par exemple. Lorsqu’un photon est absorbé par la matière, il communique son énergie à un électron présent dans la matière et disparaît (fig. 6). C’est un mécanisme extrêmement rapide (10−15 s), où l’énergie de l’électron est augmentée de celle du photon. On dit alors que l’électron est excité. Mais sous quelle forme l’électron stocke-t-il cette énergie ? Tout simplement sous forme électrique en changeant de potentiel (E = − qV, où q est la charge de l’électron et V le potentiel), celui-ci devenant plus négatif (plus réducteur en termes électrochimiques) après absorption de l’énergie positive du photon.

Figure 6. Illustration du mécanisme de conversion des photons dans la matière.

Figure 6. Illustration du mécanisme de conversion des photons dans la matière.

23Pour revenir à l’équilibre, il doit restituer son énergie, ce qu’il fait aussi très rapidement dans les matériaux courants, en 10−12 s à 10−8 s en interagissant avec les vibrations du réseau (les phonons), auquel il communique son « excès d’énergie » sous forme thermique, on dit qu’il « thermalise ». Le matériau chauffe, tout simplement. Dans d’autres matériaux, le retour à l’équilibre est beaucoup plus lent. Cela est dû au fait que seuls certains niveaux d’énergie sont permis pour les électrons excités, tandis que d’autres sont interdits. Cette structure a été expliquée de façon magistrale par la théorie quantique au début du xxie siècle. Seuls les photons dont l’énergie coïncide avec la différence d’énergie entre un niveau occupé et un niveau vide permis peuvent être absorbés ou réémis. La conséquence est que, pour ces matériaux, le retour à l’équilibre thermique est beaucoup plus lent du fait de la présence de zones d’énergie interdites entre les niveaux permis. Il peut alors se faire par rémission d’un photon par luminescence ou par transfert des électrons excités dans une phase extérieure : c’est l’effet photovoltaïque.

La photosynthèse

  • 28  Jack Farineau et Jean-François Morot-Gaudry, La Photosynthèse. Processus physiques, moléculaires e (...)

24Les molécules de colorants présentent naturellement ce type de structure et de phénomènes de luminescence. C’est le cas en particulier de la chlorophylle. L’autre possibilité est que l’électron excité soit transféré dans une phase adjacente présentant des niveaux d’énergie permise non occupés, comme c’est le cas pour des réactions électrochimiques. C’est cette configuration que la nature a utilisée en mettant en contact les molécules de chlorophylle avec de l’eau contenant de l’oxyde de carbone dissous (fig. 7). À l’état excité, l’électron est capable de réduire le CO2 en présence de molécules d’eau pour former un sucre (le glucose) tandis que le niveau initial resté vide (contenant le trou) se remplit en arrachant un électron aux molécules d’eau adjacentes par oxydation pour former de l’oxygène grâce à la concordance entre les niveaux d’énergie impliqués. Ce mécanisme permet d’expliquer simplement la photosynthèse, dont la réalité est infiniment plus complexe et met en œuvre de véritables usines moléculaires28. Ce mécanisme montre que la phase initiale d’absorption des photons et d’extraction des électrons excités dans un milieu externe correspond à une cellule photovoltaïque moléculaire fonctionnant avec deux niveaux, le niveau initial occupé, appelé « HOMO » (pour Highest Occupied Molecular Orbital) et le niveau vide d’énergie supérieur appelé « LUMO » (Lowest Unoccupied Molecular Orbital), séparés par une zone d’énergie interdite appelée gap en anglais. Précisons que, afin d’avoir une énergie suffisante pour réaliser les réactions d’oxydo-réduction, la photosynthèse utilise l’absorption de deux photons et non d’un seul comme représenté ici de façon simplifiée (fig. 7). La nature réalise là une structure-tandem au cœur des recherches actuelles.

Figure 7. Représentation simplifiée de la photosynthèse.

Figure 7. Représentation simplifiée de la photosynthèse.

Les premières cellules solaires

25En fait, il existe d’autres types de matériaux présentant cette structure avec une bande interdite, il s’agit des semi-conducteurs, dont l’archétype est le silicium, et dont le gap est de 1,1 eV, où les niveaux d’énergie HOMO et LUMO sont remplacés par la bande de valence (BV) et la bande de conduction (BC). Seuls les photons d’énergie supérieure au gap sont absorbés, tandis que ceux d’énergie inférieure ne le sont pas (le matériau est transparent pour les longueurs d’onde correspondantes). Comme pour les molécules, le temps de retour à l’équilibre des électrons excités est suffisamment lent, s’il n’y a pas trop de défauts, pour permettre un retour par luminescence ou par extraction dans des phases extérieures, comme le montre ce principe utilisé dans les cellules solaires (fig. 8).

Figure 8. Principe de fonctionnement d’une cellule solaire.

Figure 8. Principe de fonctionnement d’une cellule solaire.

26On retrouve les phénomènes de luminescence dans de nombreux minéraux cristallins, qui suscitent la curiosité des scientifiques comme les Becquerel. Concernant la possibilité d’extraction, il fallut le coup de génie et de chance d’Edmond Becquerel d’utiliser comme dans la nature le contact avec un électrolyte d’un côté, permettant une extraction facile, et des lames métalliques recouvertes de chlorure d’argent, qui est justement un semi-conducteur avec une bande interdite d’environ 3 eV absorbant les photons UV de grande énergie. Les électrons excités étaient alors capables de créer un courant électrique grâce aux réactions électrochimiques avec l’électrolyte, en particulier de former de l’argent métallique (même principe que la photographie) ou de l’hydrogène par réduction au niveau de la bande de conduction, tandis qu’une réaction d’oxydation de l’eau, ou des ions chlorure, pouvait se produire au niveau de la bande de valence. On appelle aujourd’hui ce type de cellule impliquant un contact avec un électrolyte les « cellules photo-électrochimiques » et parfois les « cellules de Becquerel ».

  • 29John Perlin, From Space to Earth: The Story of Solar Electricity et Let it shine. The 6000-Year St (...)

27Il fallut attendre plus d’un siècle pour que cette configuration particulière soit réutilisée en laboratoire avec le germanium. Entre-temps, Edmond Becquerel fut largement oublié tandis que le photovoltaïque empruntait une autre voie avec la découverte en 1873 par Willoughby Smith de la photoconductivité dans le sélénium, un autre semi-conducteur, et de premiers dispositifs tout solide avec des contacts électriques métalliques. En 1877, William Adams et Richard Day observent la génération d’un photo­courant stable après polarisation forcée des contacts et réalise la première cellule photovoltaïque solide de l’histoire. Il a fallu ensuite moins de dix ans pour que Charles Fritts fabrique la première cellule fonctionnelle en pressant un film de sélénium de 25 microns entre un contact de cuivre d’un côté et d’or semi-transparent de l’autre (fig. 9). Malgré son rendement très faible (moins de 1 %), Charles Fritts envisagea les applications possibles et construisit le premier système photovoltaïque du monde sur un toit de New York en 188429.

28Il envoya des échantillons en Europe à Ernst Werner von Siemens, qui, de même que James Maxwell, fut convaincu de l’importance de cette découverte. Celle-ci suscita beaucoup de scepticisme chez d’autres, qui la considéraient comme de la « magie » ou une énième tentative de « mouvement perpétuel » C’est entre 1928 et 1939, en une décennie, que furent établies les bases théoriques de la physique du solide et des semi-conducteurs, de la physique des jonctions qui conduisit au développement de l’électronique et du photovoltaïque, avec l’établissement de la théorie des bandes en 1928 (Léon Brillouin en particulier), des barrières semiconductrices en 1930 et 1939 par Walter Schottky et Nevill Mott, et enfin des jonctions p-n en 1939 par William Shockley.

Figure 9. Structure de la première cellule solaire fonctionnelle tout solide (Charles Fritts, 1883).

Figure 9. Structure de la première cellule solaire fonctionnelle tout solide (Charles Fritts, 1883).

29Pendant ce temps, la progression des cellules solaires fut minime, avec quelques avancées sur des cellules à base d’oxyde de cuivre.

  • 30Michael Riordan et Lillian Hoddeson, « The origins of the p-n junction », IEEE Spectrum, vol. 34, (...)
  • 31Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson, « A new silicon p-n junction photocell for converti (...)

30Le coup de tonnerre eut lieu à la suite de la maîtrise de la purification du silicium par cristallisation et la découverte des jonctions p-n par Russell Ohl à la fin des années 193030. C’est en 1941, qu’il fabriqua même la première cellule solaire au silicium, dont il fera également un brevet. Une décennie plus tard, les premières cellules de rendement suffisamment élevé pour les applications furent mises au point, en 1954 plus exactement, avec les travaux de Chapin, Fuller et Pearson conduisant à un rendement de 6 %31. Elles furent utilisées dès 1958 pour alimenter le satellite américain Vanguard, seulement un an après le lancement par l’URSS de Spoutnik. Le photovoltaïque entrait alors de plain-pied dans l’ère des applications industrielles, notamment spatiales, qu’il ne quittera plus depuis.

Le fonctionnement d’une cellule solaire

31Prenons l’exemple d’une cellule au silicium cristallin (fig. 10, p. 56). Il s’agit d’une plaquette d’environ 0,18 mm et 15 cm de côté. Le silicium est un semi-conducteur qui possède une bande interdite de 1,12 eV. Pour le rendre conducteur, on ajoute en très faible quantité du phosphore (élément de la colonne V) ou du bore (élément de la colonne III) à hauteur de quelques atomes par million (ppm) d’atomes de silicium. On appelle cela « dopage ». Lorsqu’un atome de phosphore remplace un atome de silicium, il injecte un électron de charge négative dans la bande de conduction et devient une charge positive, on parle de « donneur ». Seul l’électron est mobile et apporte une conductivité négative au matériau. Le bore, au contraire, va capter un électron de la bande de valence du silicium, on parle d’« accepteur », et devenir une charge négative fixe, tandis que l’électron manquant dans la bande devient l’équivalent d’une charge positive mobile appelée « trou » (hole en anglais), et apporte une conductivité positive au matériau. On dit alors que le silicium est de type p, et qu’il est de type n dans le cas du phosphore. Le dopage, découvert par Russel Ohl, va jouer un rôle fondamental pour créer la cellule solaire. En effet, si la plaquette est de type p avec du bore, on va traiter sa face avant (celle qui sera exposée au soleil) avec du phosphore et créer une zone de type n sur une épaisseur de quelques microns à quelques dizaines de microns. Il en résulte la formation d’une jonction p-n, on parle alors d’une « homojonction », car les zone p et n sont faites du même matériau. Lorsque ce n’est pas le cas, on parlera alors d’une « hétérojonction ». La jonction p-n a pour conséquence de faire communiquer les électrons mobiles de la zone n avec les trous mobiles de la zone p, qui vont donc se neutraliser. On pourrait penser que ce phénomène va se propager sur une grande distance dans les deux zones, mais ce n’est pas le cas. En disparaissant, les électrons et les trous laissent derrière eux les charges fixes de signe opposé qui vont faire apparaître une tension électrique entre les deux zones, et donc un champ électrique, qui vont s’opposer progressivement au passage des électrons et des trous. La jonction va donc se stabiliser, en créant une différence de potentiel électrique interne analogue à celle d’une batterie. Sous éclairement, les photons d’énergie supérieure au gap seront absorbés en transférant leur énergie aux électrons de la bande de valence, formant ce que l’on appelle une « paire électron-trou ». L’électron et le trou perdent extrêmement rapidement leur énergie excédant celle du gap (on dit qu’ils « thermalisent »), puis, en l’absence d’autres mécanismes (comme la luminescence ou le transfert électrochimique pour la chlorophylle), ils finiraient par se recombiner à travers la bande interdite. C’est là que l’existence du champ électrique prend toute son importance : il permet de séparer physiquement les paires électron-trou en exerçant des forces de sens opposés sur les électrons (chargés négativement) et les trous (chargés positivement). Les électrons rejoignent ainsi la zone n vers la surface, tandis que les trous rejoignent la zone arrière de type p. Il « suffit » alors de déposer des contacts électriques en face avant et en face arrière pour les extraire dans un circuit extérieur, d’où la génération d’un photo­courant. Comme les électrons sont extraits et réinjectés à des potentiels différents au niveau de la bande de conduction et de la bande de valence respectivement, il apparaît également une photo­tension, dont la valeur maximale correspond à l’énergie du gap. Il en résulte la génération d’une puissance électrique correspondant au produit des deux. Pour l’utiliser dans le circuit extérieur, il faut introduire un récepteur (un moteur, une batterie, etc.) possédant une résistance d’entrée adaptée à la cellule. Si l’on fait varier la résistance de zéro (court-circuit) à l’infini (circuit ouvert), et que l’on porte le courant en fonction de la tension, on obtient la caractéristique courant-tension sous éclairement. En court-circuit, la tension est nulle et le courant égal au pho­tocourant de court-circuit, la puissance étant nulle ; tandis qu’en circuit ouvert, c’est le contraire, le courant est nul et la tension est égale à la tension de circuit ouvert, la puissance étant également nulle. Celle-ci est en fait maximale pour une résistance de charge pour laquelle le rectangle inscrit possède la plus grande aire. Le rendement de conversion de la cellule est alors le rapport de la puissance électrique à ce point, divisé par la puissance lumineuse incidente, correspondant aux 1000 W/m2 des conditions standards. Un rendement de 10 % correspond à une puissance délivrée de 100 W par m2, 20 % pour 200 W et ainsi de suite. On retrouve les mêmes définitions lorsque les cellules sont mises en série et parallèles pour constituer des modules de grande taille.

Figure 10. Principe de fonctionnement d’une cellule au silicium cristallin.

Figure 10. Principe de fonctionnement d’une cellule au silicium cristallin.

À la conquête du rendement

  • 32Ibid.
  • 33Martin Green, Proceedings of the 10th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Lisbonne, 199 (...)
  • 34Kunta Yoshikawa et al., « Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for (...)

32Suite aux résultats de Russell Ohl, une course effrénée s’est enclenchée pour augmenter les rendements (fig. 11). L’amélioration des procédés déboucha au début des années 1950 sur une augmentation abrupte du rendement, symbolisée par l’atteinte d’un rendement de 6 % en 195432, avant de saturer à 13-15 % pendant près de dix ans jusqu’en 1970, où se produit un nouveau saut abrupt suivi d’un palier pendant encore près de dix ans. De 1985 à 1990 se produit une nouvelle phase d’augmentation du rendement, culminant en 1995 avec le franchissement de la barre des 20 %, sous l’influence majeure de Martin Green et de son laboratoire en Australie33. Il a fallu attendre près de vingt ans pour qu’une nouvelle augmentation intervienne et qu’un nouveau record soit établi à 26,7 % par le laboratoire Kaneka au Japon34.

Figure 11. Illustration des étapes de développement de la technologie au silicium cristallin.

Figure 11. Illustration des étapes de développement de la technologie au silicium cristallin.

33Cette succession de sauts suivis de paliers dans la progression du rendement est un classique de l’évolution d’une technologie. Elle est connue sous le nom de « courbe en S », avec l’irruption de ruptures technologiques (augmentations abruptes), suivies d’améliorations incrémentales. Le photovoltaïque peut être considéré comme un cas d’école de ce processus. Chaque saut correspond à une innovation technologique : la maîtrise des traitements de diffusion en 1954, l’introduction des grilles en face avant en 1962, la couche anti­réfléchissante en 1973, la texturation de surface en 1985 et la diffusion localisée au niveau des contacts en 1994, conduisant à la structure PERL (Passivated Emitter, Rear Locally-Diffused en anglais) qui s’est imposée depuis. C’est à cette période que la convergence entre photovoltaïque et microélectronique s’est développée, les cellules solaires devenant de vrais bijoux de l’électronique.

  • 35Ibid.

34Le dernier saut spectaculaire, c’est l’irruption des cellules à hétérojonction. On a découvert que, plutôt que de faire de la diffusion à haute température de phosphore à 800 degrés dans un four, il suffisait de déposer dessus une mince couche de silicium amorphe de type n, de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur, à basse température, conduisant à une spectaculaire amélioration du transfert des électrons vers le contact, en réduisant la densité de défauts électroniques à la surface du silicium, qui favorisait la recombinaison des paires électron-trou au détriment du photo­courant. Puis, enfin, le nec plus ultra, le record absolu, 267 watts par mètre carré, c’est une cellule où le silicium et la passivation se sont tellement améliorés que l’on peut utiliser des contacts interdigités en face arrière qui éliminent l’effet d’ombre des grilles en face avant35. On se rend compte de la prouesse réalisée en mesurant la réponse spectrale, c’est-à-dire le rendement quantique (le rapport du nombre d’électrons généré pour 100 photons incidents) en fonction de la longueur d’onde : il est proche de 100 % jusqu’à 1,1 micron, ce qui correspond au seuil d’absorption du silicium, au-delà duquel celui-ci devient transparent (fig. 11).

  • 36William Shockley et Hans-J. Queisser, « Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar (...)

35À chaque plateau de rendement, certains se disaient que l’on avait peut-être atteint le rendement maximum. En l’absence de modèles théoriques, la recherche était condamnée à avancer dans le brouillard. Il y a donc eu très tôt des études théoriques fondées en particulier sur la physique des solides et la thermodynamique. Le modèle le plus célèbre a été établi en 1961 par William Shockley et Hans-Joachim Queisser et actualisé en 2011 par Louise Hirst et son équipe36. Il donne le rendement maximum absolu en fonction du gap du semi-conducteur, ce paramètre s’avérant central. Le résultat est une courbe en cloche dont le maximum se situe à 33 % de rendement pour un gap d’environ 1,4-1,5 eV, et qui redescend à zéro de part et d’autre (fig. 12). Pour le silicium, une valeur de 29,2 % est aujourd’hui retenue. Ainsi les chercheurs savaient, dès cette date, le chemin qu’il restait à parcourir. Avec 26,7 % atteints, on peut dire que l’on est très proche du rendement théorique et mesurer ainsi l’exploit accompli par la recherche en photovoltaïque.

36Cette courbe en cloche s’explique très facilement « avec les mains ». Plus le gap est petit, plus les photons du spectre solaire seront absorbés sur une large gamme, donc plus le photo­courant sera élevé (environ 64 mA/cm2). En revanche, la photo­tension, qui est directement proportionnelle et proche du gap (exprimé en volt), va diminuer et tendre vers zéro. Ainsi ces deux paramètres, dont le produit conduit à la puissance, varient en sens opposés, d’où la courbe en cloche trouvée par Shockley et Queisser. D’autres matériaux avec des gaps plus élevés ont été développés pour se rapprocher du maximum de 33 %.

Figure 12. Rendement théorique maximum pour une jonction photovoltaïque unique.

Figure 12. Rendement théorique maximum pour une jonction photovoltaïque unique.

Le foisonnement des technologies photovoltaïques

L’essor des matériaux inorganiques

37Les années 1951, 1954, 1963 et 1976 ont vu naître d’autres technologies photovoltaïques alternatives au silicium et fondées sur des matériaux inorganiques. Au départ, l’idée était de remplacer le silicium par des matériaux semiconducteurs de plus haut rendement ou pouvant être utilisés en couches minces, plus flexibles et légères. De nombreuses possibilités sont offertes en utilisant la combinaison d’éléments chimiques du tableau de Mendeleïev comme ceux des colonnes III et V (matériaux « trois cinq »), de part et d’autre de celle du silicium (colonne IV), ou II-VI (matériaux « deux six »), qui s’en écartent un peu plus. Ce sont les matériaux III-V à base de gallium (colonne III) et d’arsenic (colonne V) de formule (GaAs), qui se sont avérés les plus performants et qui possèdent aujourd’hui le record à 28,9 %. Ils sont utilisés aussi dans le domaine spatial. J’ai personnellement travaillé sur les matériaux II-VI comme le tellurure de cadmiun (CdTe) et surtout sur le CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium) de formule Cu(In,Ga)Se2, qui est en fait une extension des II-VI vers les colonnes I-III-VI. L’ensemble de la cellule ne fait que quelques microns d’épaisseur au lieu d’environ 180 microns pour le silicium, on parle alors de « cellules couches minces ». Là aussi les progrès se sont faits par étapes successives avec des courbes en S – déjà observées pour le silicium – pour atteindre aujourd’hui 23,4 %. La description des ruptures scientifiques associées à toutes ces technologies, liées à l’amélioration des matériaux et des procédés, est aussi fascinante et riche d’enseignements, comme nous l’avons décrit pour le silicium. De nouveaux matériaux émergent sans cesse, visant en particulier l’utilisation d’éléments chimiques abondants. C’est le cas du CZTS – un composé de cuivre, de zinc, d’étain et de soufre –, où l’indium, rare, est remplacé par le couple zinc-étain, plus abondant, et le sélénium par du soufre. On a alors un matériau de type I-II-IV-VI. Les rendements sont encore limités autour de 12 %. Avec les éléments et le tableau de Mendéleïev, les chercheurs ont à leur disposition un véritable LEGO chimique. Notons que le même matériau peut aussi être utilisé sous une forme différente : c’est le cas du silicium amorphe, à la place du silicium cristallin, qui a conduit au développement d’une filière de couches minces dès la fin des années 1970.

L’irruption du photovoltaïque organique et hybride

  • 37Brian O’Regan et Michael Grätzel, « A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized (...)
  • 38Ibid.

38Alors que, jusqu’aux années 1990, les filières à base de matériaux inorganiques à l’instar du silicium dominaient la scène, d’autres chercheurs se sont intéressés au potentiel des matériaux organiques qui possèdent également des propriétés semi-conductrices, mais dont les rendements restaient très faibles. La rupture eut lieu en 1991, grâce au chimiste Michael Grätzel et son équipe37, qui s’intéressait au photovoltaïque moléculaire inspiré de la photosynthèse et des cellules de Becquerel. L’idée était de sensibiliser une surface d’oxyde de titane avec des molécules de colorants, qui, une fois greffées par formation d’une liaison chimique (chimisorption), pouvaient échanger des électrons avec celle-ci via son niveau LUMO. Pour l’échange au niveau du niveau HOMO, nécessaire à l’effet photovoltaïque, pourquoi ne pas reprendre ce que fait la nature avec un contact liquide contenant un couple redox adapté ? En utilisant le couple iode-iodure, il est effectivement possible d’extraire les trous en oxydant les ions iodure en solution. Le circuit est ensuite fermé en introduisant une autre électrode dans la solution. Ainsi, grâce à cette approche, il devenait possible de contacter une simple molécule pour en faire une cellule solaire. Pour augmenter l’absorption de la lumière, très faible dans une monocouche, l’idée a été de sensibiliser, non pas une surface plane comme cela se faisait avant, mais d’utiliser un milieu poreux transparent, dont la surface interne peut atteindre 1000 cm2 pour une couche de quelques microns déposée sur un seul centimètre carré. La publication d’un rendement de 6 %, en 1991, fit l’effet d’un choc similaire à celui du silicium en 195438. Une nouvelle technologie était née, très vite appelée « cellules à colorants », qui suscita un grand engouement. Point remarquable, elle marqua l’entrée de la chimie dans le photovoltaïque. Cette technologie plafonne à 13 %.

39En 2000, la découverte des polymères conducteurs et l’introduction d’un concept issu des cellules à colorants (3 % en 2001), celui de mélanger intimement les phases n et p permet enfin de faire décoller les cellules solaires tout organique, qui amorcent une montée les conduisant à des rendements record de 18 %.

  • 39Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai et Tsutomu Miyasaka, « Organometal halide perovskite (...)
  • 40James Ball, Michael Lee, Andrew Hey et Henry Snaith, « Low temperature processed meso-superstructu (...)
  • 41T. Jesper Jacobsson, Adam Hultqvist, Alberto García-Fernández et al., « An open-access database an (...)

40Néanmoins, l’innovation la plus extraordinaire issue des recherches sur les cellules à colorants est l’irruption d’une nouvelle filière qui est en train de révolutionner le photovoltaïque. Il s’agit des cellules à perovskite, qui, en 12 ans, sont passées de 3,8 % de rendement à 25,5 %, à savoir pratiquement le même niveau que le silicium et un niveau au-dessus du CIGS. Cette progression vertigineuse dépasse celle des débuts du silicium. La stabilité des performances et l’extension aux grandes surfaces n’est cependant pas encore totalement maîtrisée. C’est une équipe japonaise, en 2009, conduite par Tsutomu Miyasaka qui eut l’idée de remplacer les molécules de colorants par les microcristaux d’un matériau hybride déjà connu pour ses excellentes propriétés optiques, le méthyl­ammonium iodure de plomb noté « MAPI », associant une partie organique (l’ion méthyl­ammonium) et une partie inorganique39 (iode et plomb). Une compétition « acharnée » s’est alors ouverte au niveau international (Suisse, Royaume-Uni, Japon, Corée). Puis l’électrolyte liquide fut remplacé par un polymère conducteur de type p, conduisant une cellule tout solide comme les cellules traditionnelles. Puis on découvrit que la pérovskite pouvait fonctionner en couche mince (quelques microns ou moins) comme le CdTe ou le CIGS, avec seulement un contact avant et un contact arrière et un rendement atteignant 12,3 % en 201340. La filière pérovskite est alors devenue une filière à part entière, dont les avancées spectaculaires ont complètement révolutionné la recherche sur le photovoltaïque, la plupart des laboratoires modifiant leurs priorités pour s’engager pleinement dans cette nouvelle voie. L’engouement a été tel que la filière pérovskite a aussi émergé dans le domaine public et médiatique, faisant la une des grands journaux scientifiques. Espoir ou illusion ? La question était aussi posée car les chercheurs s’emballent parfois pour quelque chose qui ne débouche pas comme espéré. Force est de constater que l’espoir demeure et s’amplifie même. Actuellement, plus de 4 000 articles sont publiés chaque année dans ce domaine41. Ils vont du domaine des matériaux, des procédés, à des recherches fondamentales pour en comprendre les propriétés. En effet, il s’agit d’un monde pratiquement inconnu auparavant et où tout est à faire. Sur le plan des matériaux par exemple, les hauts rendements actuels sont obtenus avec des matériaux de formule générale Cs0.05 (MA0.17FA0.83)0.95Pb (I0.83Br0.17)3, qui s’éloigne du MAPI initial dans un nouveau LEGO chimique. L’optimisation de ces compositions, mais aussi des interfaces, permet d’améliorer la stabilité des dispositifs dans le temps, leur résistance à la dégradation. De nouvelles méthodes sont mises en place pour analyser une telle masse de données et dégager les tendances, un peu comme le GIEC vis-à-vis de l’analyse des publications sur le climat. La particularité est également que la recherche se fait en même temps que les premières tentatives d’industrialisation par des start ups (Oxford PV, Saule).

À la conquête des rendements ultimes

41Une nouvelle question fondamentale se pose : peut-on augmenter le rendement au-delà des 30 %, ou bien est-ce une limite infranchissable ? Pour y répondre, il faut faire appel à la thermodynamique. Le Soleil étant un corps chaud à 6 000 K et la cellule solaire un corps froid à 300 K, le rendement de Carnot (1-T2/T1) est de 95 %. C’est considérable, et d’un seul coup la limite de Shockley-Queisser est pulvérisée. Avec des modèles plus élaborés, la vraie limite est autour de 67 % pour un éclairement standard et 85 % sous concentration, de quoi donner un nouvel élan à la recherche. Mais comment faire ? Pour cela, la voie actuelle est de repartir d’une simple jonction fonctionnant avec deux niveaux et un gap unique, dont le rendement est limité autour de 30 %, et de la remplacer par plusieurs jonctions en cascade avec des gaps différents. C’est le concept de « multi­jonctions », qui fait l’objet d’intenses recherches. On prend une première cellule de gap élevé, qui va absorber le bleu et le convertir de façon très efficace, et laisser passer les photons visibles et infrarouges qui ne sont pas absorbés. On en met alors une deuxième derrière, qui va convertir les photons du spectre visible, et laisser passer l’infrarouge, qui lui-même sera converti par une troisième jonction. Plus on mettra de jonctions, plus le rendement théorique augmentera, passant de 33 % à 45 % et à 51 % pour une, deux ou trois jonctions42 (fig. 13). Et cela fonctionne. On atteint aujourd’hui des records de 32,9 % et 39,2 % pour deux et trois jonctions. Le rendement-record toutes catégories est de 47,1 % pour six jonctions sous concentration43 (× 143). La route est donc ouverte avec un axe prioritaire visant à partir d’une cellule de silicium et à la combiner avec une cellule de pérovskite dans une structure tandem. Le record est de 29,8 %. La combinaison CIGS-pérovskite (24,9 %) est également étudiée pour une filière entièrement couches minces.

Figure 13. Principe des cellules multi­jonctions et rendements théoriques correspondants. Exemple de la structure tandem silicium-couches minces.

Figure 13. Principe des cellules multi­jonctions et rendements théoriques correspondants. Exemple de la structure tandem silicium-couches minces.

Panorama général des recherches

  • 44Ibid.

42La figure 14 présente un panorama général des recherches sur le photovoltaïques depuis 1975, représentant l’évolution des rendements record de toutes les technologies photovoltaïques identifiées44. Elles sont au nombre de 22 et se classent en cinq grandes catégories, allant du silicium aux multi­jonctions, en passant par les couches minces et les technologies émergentes. On observe une diversification des technologies attestant du dynamisme et de la créativité du domaine. On peut aussi noter une convergence des technologies du silicium et des couches minces, en particulier pour les cellules tandems.

Figure 14. Panorama des rendements record des cellules obtenues en laboratoire en fonction des différentes technologies, à base de multi­jonctions de matériaux III-V, de silicium cristallin, des couches minces CIGS, CdTe, silicium amorphe ainsi que des filières couches minces en émergence : pérovskite (PK) à colorants, organiques (OPV), CZTS à particules quantiques.

Figure 14. Panorama des rendements record des cellules obtenues en laboratoire en fonction des différentes technologies, à base de multi­jonctions de matériaux III-V, de silicium cristallin, des couches minces CIGS, CdTe, silicium amorphe ainsi que des filières couches minces en émergence : pérovskite (PK) à colorants, organiques (OPV), CZTS à particules quantiques.
  • 45Adapté de « Best Research-Cell Efficiencies », op. cit.

L’émergence des structures tandems Si-PK et CIGS-PK est également visualisée45. « Couches minces » est noté en centimètres.

Conversion photovoltaïque et transition énergétique

Une progression ininterrompue

43Comme nous l’avons vu, le développement industriel du photovoltaïque a commencé dans le domaine spatial en 1958, pratiquement en même temps que la mise au point des premières cellules de silicium efficaces en 1954. En 1960, la production mondiale était de 10 kW, puis de 150 kW en 1976, dont 100 kW aux États-Unis (5-6 industriels), 30 kW en France (1 industriel), 5 à 10 kW au Japon (de 1 à 2 industriels) et moins de 5 kW en Allemagne. Le marché avait commencé à se diversifier au-delà du marché spatial vers l’alimentation en sites isolés dans un rapport 2/3 et 1/3. Ce mouvement s’est ensuite accentué et le marché terrestre en sites isolés a de plus en plus largement dominé. Le point commun avec le marché spatial vient du fait que leur alimentation par d’autres énergies est beaucoup plus difficile, ce qui rend le photovoltaïque incontournable (phares et balises, antennes, etc.), même à des coûts qui peuvent paraître prohibitifs, de 100 dollars le watt en 1976, soit ramené à l’énergie produite de 100 dollars le kilowatt-heure.

44Avec la baisse des coûts de production des modules, réduits à 50 dollars dès 1979, de plus en plus de sites isolés ont pu s’équiper, augmentant la demande et donc la capacité de production industrielle, mais entraînant également une nouvelle baisse des coûts de production et un effet boule de neige production-prix. La figure 15 montre l’historique du prix de vente des modules en fonction de la capacité cumulée installée au niveau mondial depuis 1976 jusqu’à aujourd’hui, en échelle logarithmique46.

  • 47Ibid.

Figure 15. Courbe d’expérience de l’évolution du prix de modules photovoltaïques en fonction de la puissance installée cumulée au niveau mondial47.

Figure 15. Courbe d’expérience de l’évolution du prix de modules photovoltaïques en fonction de la puissance installée cumulée au niveau mondial47.

45On appelle ce type de courbe une « courbe d’apprentissage » ou « courbe d’expérience », que l’on retrouve pour de nombreux objets, comme par exemple les écrans plats ou les batteries au lithium. Ce qui est remarquable, c’est la variation linéaire observée de 1976 à 2002, soit sur près de 25 ans. Elle correspond à une loi empirique qui indique que le prix baisse de 25 % à chaque fois que la capacité cumulée double. Et, effectivement, la capacité cumulée est passée de 300 kW environ à 3 GW, soit un facteur 10 000 ! Et ce indépendamment des évolutions du contexte économique ou politique spécifique à chaque période. Ainsi l’abaissement des coûts ouvre de nouveaux marchés qui prennent le relais des précédents. Un point de bascule intéressant s’est produit à la fin des années 1990, avec la montée progressive des installations connectées au réseau lorsque la taille du marché annuel a passé la barre des 100 MW (1 MW cumulé). Le prix était alors d’un peu plus de 5 dollars/W soit 5 dollars/kWh, 50 fois plus élevé que le prix du réseau, autant dire absolument pas compétitif. C’est là que les politiques publiques, soutenues par l’opinion publique, ont pris le relais, pour aller vers la parité réseau (il s’agit du moment où le prix de vente de l’électricité photovoltaïque rejoint celui fourni par le réseau électrique à la population). Des plans de soutien très volontaristes ont été mis en place au Japon et en Allemagne en particulier (exemple des 1 000 toits solaires en Allemagne en 1990, puis des 100 000 toits en 1999), qui peuvent être considérés comme les marqueurs de l’irruption de l’énergie solaire photovoltaïque pour la transition énergétique.

  • 48  Hermann Scheer, Le Solaire et l’Économie mondiale, Arles, Actes Sud, coll. « Solin », 2001.
  • 49Coûts et rentabilités du grand photovoltaïque en métropole continentale, rapport de la Commission (...)
  • 50Trends in Photovoltaic Applications 2021, Agence internationale de l’énergie, 2021, https://iea-pv (...)

46Le livre de l’économiste et visionnaire Hermann Scheer a joué un rôle majeur dans la crédibilisation de cette perspective48. Cependant, l’instrument visant à subventionner des installations ne s’est pas révélé suffisamment efficace, et c’est un nouvel instrument qui a permis le déclenchement du processus : l’établissement des tarifs de rachat de l’électricité (Feed in Tarif), introduits en 2000 en Allemagne. En subventionnant la production photovoltaïque plutôt que les installations, l’effet incitatif s’est démultiplié et a permis de poursuivre l’augmentation exponentielle. En France, les tarifs d’achat ont été institués lors du Grenelle de l’environnement en 2006, entraînant le même effet, avec des tarifs d’achat atteignant pratiquement 60 centimes d’euros le kilowatt-heure. Contrairement à l’opinion de ses détracteurs, ce mécanisme, repris dans de nombreux pays du monde, a été couronné de succès puisqu’aujourd’hui la parité réseau est atteinte et que le photovoltaïque est maintenant compétitif sans subvention ni tarifs d’achats préférentiels. En France et en Allemagne, l’électricité photovoltaïque coûte entre 5 et 7 centimes le kilowatt-heure49 (tarifs négociés par la Commission de régulation de l’énergie ou CRE). Certains tarifs descendent même autour de 2 centimes, voire moins50 (tableau 1). Cette compétitivité spectaculaire vis-à-vis des moyens de production carbonés et du nouveau nucléaire a même été saluée en 2020 par l’Agence internationale de l’énergie avec le qualificatif de « Roi Soleil ».

  • 51Ibid.

Tableau 1. Meilleurs tarifs de l’électricité photovoltaïque issus d’appels d’offre. Source : Agence internationale de l’énergie (AIE), programme PhotoVoltaic Power Systems (PVPS)51.

Région

Pays

Dollars/MWh

Année

Asie

Ouzbékistan

17,9

2021

Afrique

Tunisie

24,4

2019

Europe

Portugal

13,2

2020

Amérique latine

Brésil

17,5

2019

Moyen-Orient

Arabie saoudite

10,4

2021

Amérique du Nord

Mexique

20,6

2017

  • 52Arnulf Jäger-Waldau, « Snapshot of photovoltaics – February 2022 », EPJ Photovoltaics, vol. 13, 20 (...)

47Mais revenons encore sur la courbe d’expérience : on peut noter que celle-ci s’écarte du comportement attendu, avec un plateau, voire une légère remontée entre 2000 et 2005, alors que la capacité installée augmente. L’explication est très simple jusqu’à 2000 : le photovoltaïque utilisait les chutes de silicium ultrapur issues de l’industrie électronique qui sont devenues insuffisantes, entraînant une pénurie. L’industrie, en particulier chinoise, s’est alors lancée dans des unités de production dédiées. Le rattrapage fut achevé en 2008. L’industrie photovoltaïque devenait une industrie autonome et pouvait donc reprendre sa progression. Dans ce nouveau contexte, la réduction des coûts a pu se poursuivre et même s’accélérer, avec un coefficient de plus de 40 %, conduisant à un prix des modules divisé par dix en dix ans, à 0,2-0,3 dollar par watt, expliquant la compétitivité atteinte par le photovoltaïque sur le marché et sa croissance exponentielle52. Début 2022, la barre symbolique du térawatt de capacité installée a été franchie (fig. 16).

  • 53Ibid.

Figure 16. Évolution de la capacité installée au niveau mondial en fonction du temps et de la zone d’installation géographique53.

Figure 16. Évolution de la capacité installée au niveau mondial en fonction du temps et de la zone d’installation géographique53.

Source : A. Jäger-Waldau, 2022, CC BY 4.0.

Le photovoltaïque au sein du mix énergétique mondial

48Pour analyser le potentiel du photovoltaïque à contribuer à la transition énergétique, il faut le replacer au sein du mix énergétique mondial. Pour cela, nous avons repris dans la figure 17 les données représentant l’évolution des contributions énergétiques des différentes sources primaires54.

  • 55Ibid.

Figure 17. Évolution de la consommation primaire d’énergie en fonction des sources au niveau mondial55.

Figure 17. Évolution de la consommation primaire d’énergie en fonction des sources au niveau mondial55.

Pour les énergies décarbonées, la consommation est ramenée à celle qu’aurait une source carbonée équivalente.

49Jusqu’à 1850, seule la biomasse est impliquée. En 1850 apparaît le charbon, puis en 1910 le pétrole et, après la Seconde Guerre mondiale, le gaz et l’hydraulique. À partir des années 1970, le nucléaire apparaît. L’éolien franchit le seuil de 10 TWh en 1990 et le solaire en 2008 seulement. Jusqu’à ces dates, ces deux sources ne pesaient pratiquement rien, et, comme on dit, « restaient dans l’épaisseur du trait », contribuant à une opinion très répandue qui considérait que, puisque les contributions étaient négligeables, elles allaient le rester. C’était sans compter sur les mécanismes de croissance exponentielle qui changent la donne très rapidement. C’est effectivement ce qui s’est passé depuis avec ces deux sources, qui sont bien présentes aujourd’hui dans le mix énergétique, même si elles restent encore faibles. Notons que ce n’est pas le cas pour le nucléaire, dont la croissance s’est arrêtée à la fin des années 1980.

  • 56The Future of Solar Energy. An Interdisciplinary MIT Study, Cambridge (Mass.), MIT, 2015, https:// (...)

50Pour mieux analyser la dynamique des évolutions, il faut reprendre les données sous forme logarithmique comme le montre la figure 18 pour l’électricité. La croissance exponentielle du photovoltaïque ainsi que de l’éolien contrastent avec les autres sources, le photovoltaïque ayant une croissance plus rapide même que l’éolien. Le photovoltaïque est de fait la source d’énergie qui se développe le plus rapidement. Si on imagine que cette croissance puisse être maintenue pendant les prochaines années, on voit que la substitution à grande échelle des énergies carbonées est tout à fait envisageable d’ici une dizaine d’années, le croisement avec le niveau actuel du charbon pouvant se faire vers 2035. Non seulement un ralentissement est bien sûr possible, mais l’est aussi également une accélération portée par l’urgence climatique et malheureusement les conséquences de la guerre en Ukraine. Notons qu’historiquement le développement du photovoltaïque a toujours été plus rapide que dans les scénarios établis, en particulier par l’Agence internationale de l’énergie56.

Figure 18. Évolution de la production mondiale d’énergie électrique en fonction de différentes sources, adaptée de la référence en note 54.

Figure 18. Évolution de la production mondiale d’énergie électrique en fonction de différentes sources, adaptée de la référence en note 54.

Les pointillés donnent la vision prospective de l’AIE issue des données du scénario NZE (Net Zero Energy) de neutralité carbone en 2050 (flèches vertes), source : voir note 60.

Un témoin de la vitesse et de la réalité de la transition : le secteur électrique

51Dans la partie précédente, nous avons délibérément choisi de présenter la situation du photovoltaïque dans le cadre général de l’approvisionnement en énergie primaire, car c’est là que se situe le réel enjeu de la transition. Cependant, s’il est un secteur où la transition est déjà bien réelle, c’est celui du secteur électrique (fig. 18). En moins de dix ans, l’usage de l’électricité photovoltaïque s’est répandu dans le monde entier : parti du Japon, de l’Allemagne et des États-Unis en 2004, il s’étend à l’Espagne en 2009, puis à la Chine, à l’Inde, à l’Australie, à la France et à l’Europe en 2012, au Chili, à la Grèce, à l’Afrique du Sud en 2016 et enfin, en 2020, au Brésil, au Canada, à la Turquie, à l’Égypte, au Maroc, à l’Algérie, à la Tunisie, au Vietnam, à la Russie. Ce sont une centaine de pays qui sont actuellement engagés dans le photovoltaïque et 5 % de l’électricité mondiale est déjà d’origine photovoltaïque57. L’Australie, l’Espagne et la Grèce se situent à 15 % et sept pays dépassent les 10 %. La France se situe en queue de classement au niveau de 3 %, avec une capacité installée de 13 GW fin 202158.

Perspectives

  • 59  Voir l’article de synthèse de Jean-Marie Tarascon, « Les batteries sont-elles la bonne option pour (...)

52Nous avons vu que la croissance exponentielle du photovoltaïque depuis ses origines s’appuie sur un élargissement progressif des marchés à partir des marchés de niche initiaux compétitifs, comme le spatial et les sites isolés, permettant des prix élevés bien supérieurs à ceux du marché de masse, tout en restant viables économiquement. L’abaissement des prix par effet d’échelle (et amélioration des rendements de conversion) a de plus en plus élargi les installations en sites isolés et rapproché les prix avec ce réseau. Au début des années 2000, la différence restait encore trop élevée pour permettre un développement « autosupporté ». L’introduction des tarifs d’achat a permis de franchir cette étape et ouvert la voie à la compétitivité des installations raccordées au réseau, principalement au niveau des grandes installations au sol, qui sont devenues le moteur de croissance du marché et sa composante principale. Avec des prix de vente pouvant descendre à moins de 20 euros par mégawatt-heure dans de nombreuses régions du monde (du Portugal au Chili, ou au Qatar) et se négocier de 40 à 70 euros en France ou en Allemagne, le milieu économique tend à choisir l’énergie solaire car elle est la moins chère, tout simplement. Le contraste avec les années 1970, où le recours à l’énergie solaire paraissait utopique, mérite d’être souligné et montre l’étendue du chemin parcouru. La compétitivité économique de l’énergie photovoltaïque va venir renforcer la transition énergétique. Une nouvelle phase est également en train de s’engager avec le développement des équipements de petite taille, comme en milieu urbain avec la réduction des coûts et l’augmentation tendancielle des prix de l’électricité. Il s’agit de l’autoconsommation, qui pourrait devenir rapidement la norme dans les années à venir. Curieusement, c’est une forme de retour aux sites isolés, mais cette fois en synergie avec les réseaux intelligents. La question de l’intermittence qui a été longtemps opposée aux défenseurs de l’énergie solaire est également en passe d’être résolue avec le développement à grande échelle des capacités de stockage, de quelques heures à quelques jours grâce aux batteries au lithium et, probablement dans un avenir proche, au sodium, dont les coûts ne cessent de baisser comme pour le photovoltaïque59. Pour le stockage à long terme, voire inter­saisonnier, le couplage avec la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est également en plein essor.

53Quel peut être l’impact du développement de l’énergie solaire photovoltaïque vis-à-vis de l’enjeu climatique ? Un premier élément d’évaluation est de revenir à la façon dont les contributions des sources primaires d’énergie ont évolué à travers l’histoire en extrapolant les trajectoires possibles, avec d’une part une croissance maintenue du photovoltaïque et, d’autre part, une réduction « forcée » de la part des énergies carbonées, comme extrapolé par nous-mêmes, en pointillés sur la figure 18. Contrairement à toute l’histoire de l’énergie, où les nouvelles sources tendaient à s’ajouter aux précédentes, phénomène appelé « effet rebond », c’est la première fois que la décroissance des sources précédentes devra être programmée, justifiant bien le terme de « transition énergétique ». Différents scénarios de réduction des émissions de CO2 ont été établis, en particulier par l’Agence internationale de l’énergie/AIE (fig. 19), dont le plus ambitieux NZE (Net Zero Energy), qui vise à la neutralité carbone en 205060.

Figure 19. Évaluation de la réduction d’émission de CO2 pour différents scénarios de décarbonation de l’énergie d’après le rapport 2021 de l’AIE.

Figure 19. Évaluation de la réduction d’émission de CO2 pour différents scénarios de décarbonation de l’énergie d’après le rapport 2021 de l’AIE.

La flèche grise ajoutée par nous correspond au pouvoir de réduction des émissions pour 10 TW installés de photovoltaïque.

Source : IEA (2021) World Energy Outlook 2021, https://www.iea.org/​reports/​world-energy-outlook-2021. Tous droits réservés comme modifié par Daniel Lincot.

  • 61Eero Vartiainen, Gaëtan Masson, Christian Breyer, David Moser et Eduardo Román Medina, « Impact of (...)

54L’établissement de ces scénarios a été fait en considérant l’ensemble des secteurs économiques et des sources d’énergie, avec des hypothèses d’évolution. Concernant la contribution du photovoltaïque, elle va de 2 TW à 5 TW en 2030, et de 6 TW à 14 TW en 2050, avec un pouvoir de décarbonation moyen de 1 GT de CO2 par TW, soit de 2 à 5 GT en 2030, en accord avec la fourchette donnée dans le dernier rapport du GIEC. D’autres scénarios prédisent une croissance encore plus rapide, comme celui établi par une université finlandaise61 avec 6 TW en 2030 et 60 TW en 2050. Il se rapproche du NZE pour 2030, la différence intervenant surtout après 2030. Les caractéristiques de ces différents scénarios sont reportées dans le tableau 2. En 2050, 33 % de l’électricité mondiale pourrait être couverte par le photovoltaïque pour NZE et entièrement couverte (140 %) pour le scénario finlandais. La question des ressources en matériaux et de toutes les étapes de la chaîne de fabrication, pour un tel développement, est importante à considérer. Le silicium, qui représente actuellement 95 % du marché, est fort heureusement un élément très abondant.

Tableau 2. Scénarios de croissance pour le photovoltaïque d’après l’AIE pour STEP, APS, SDS et NZE62 et pour LUT63.

Année

2020 GW/TWh/ %

2030

2040

2050

STEP

739/833/3

2550/3492/10

4516/6700

6163/9667/21

APS

739/833/3

3063/4190/12

6232/9262

9095/14194/26

SDS

739/833/3

3582/4989/14

7421/11277

10865/17433/30

NZE

739/833/3

4956/6970/19

10980/17031

14458/23469/33

LUT

780

6200/8680/24

27000/4185

62000/94240/140

Sont indiqués la puissance installée cumulée (GW), la production électrique (TWh) et le pourcentage associé dans le mix électrique. Dans le cas de LUT, les valeurs de production et de pourcentage (en gras) sont calées (par nous-mêmes) sur le scénario NZE. En 2050, le PV couvre plus que la production électrique.

Conclusion : une transition citoyenne et écologique

55S’il apparaît clairement que les conditions scientifiques, technologiques et économiques sont réunies pour que l’énergie solaire puisse contribuer à très grande échelle à la transition énergétique, il est fondamental de prendre en compte les dimensions sociale, citoyenne et écologique sans lesquelles elle ne se fera pas. Aujourd’hui, la démonstration est faite aussi bien sur le plan scientifique, avec les progrès faits et à venir dans l’amélioration des rendements et des technologies, que sur le plan de la compétitivité économique. Cependant, il existe une dimension souvent absente des discussions, celle du lien avec la société et les citoyens. Le piège est que le photovoltaïque devienne maintenant un business as usual, dans une relation industrie-client-consommateur à sens unique, alimentant les effets rebond. La chance de l’énergie solaire est d’avoir une relation privilégiée avec chacun d’entre nous, du fait de son caractère local, universel et de la place culturelle du soleil dans nos sociétés. Il existe un réel désir d’énergie solaire. Il faut que cette aspiration entre en synergie avec le développement industriel et que celui-ci ne soit pas uniquement descendant, mais aussi ascendant. Nous avons une occasion historique de développer une économie citoyenne de l’énergie solaire. Le développement en France de nombreuses associations qui s’engagent sur des actions concrètes pour accélérer la transition énergétique est un phénomène majeur à encourager64. Il ouvre la voie à une économie citoyenne de l’énergie solaire. Le développement industriel est une chance pour l’emploi et le progrès social, mais il doit se faire de façon éthique, respectueuse de l’environnement et de la nature. Nous passerons alors, je l’espère, d’un Anthropocène destructeur à un « Héliocène » réparateur.

Notes

1  Emma Carenini, Soleil. Mythes, histoire et sociétés, Paris, Le Pommier, 2022.

2Rapport du GIEC, Climate Change 2022 – Mitigation of Climate Change – Summary for Policy Makers, GIEC, avril 2022, https://report.ipcc.ch/ar6wg3/pdf/IPCC_AR6_WGIII_SummaryForPolicymakers.pdf.

3Ibid.

4  Alexandre Edmond Becquerel, « Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumière solaire au moyen des courants électriques », Comptes Rendus des séances de l’Académie des sciences, vol. 9, 1839, p. 145-149 et p. 561-567, consulté sur IPVF : https://ipvf.fr/wp-content/uploads/2020/07/Article-original-Edmond-Becquerel-1839.pdf.

5John Perlin, From Space to Earth. The Story of Solar Electricity, Ann Arbor, Aatec Publications, 1999.

6  Alexandre Herléa (dir.), L’Énergie solaire en France, Aubervilliers, Éditions du Comité des travaux historiques et scientifiques, coll. « Actes des congrès nationaux des sociétés historiques et scientifiques », 1995.

7  « Le soleil au service de l’humanité », actes du symposium « L’énergie solaire photovoltaïque et ses applications dans l’espace et sur Terre », Centre national d’études spatiales, Congrès international à l’Unesco, Paris, 1973.

8  Groupe de Bellevue, Projet Alter. Étude d’un avenir énergétique pour la France axé sur le potentiel renouvelable. Esquisse d’un régime à long terme tout solaire, Paris, Syros, 1978.

9Rapport IPCC, Renewable Energy Sources And Climate Change Mitigation – Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge, Cambridge Press, 2012, https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/SRREN_Full_Report-1.pdf.

10  Voir par exemple Jean-Marc Jancovici, « Du business sans énergie et sans climat ? », conférence du 6 septembre 2021 à l’ESCP Business School, 58 mn-1h02, https://www.youtube.com/watch?v=LCZQZMpfAWE ; Jean-Marc Jancovici et Christophe Blain, Le Monde sans fin, miracle énergétique et dérive climatique, Paris, Dargaud, 2021 ; voir aussi le dossier photovoltaïque réalisé par le CNRS : https://solairepv.fr/wp-content/uploads/SolairePVEnFranceV1.2.pdf

11  Voir par exemple, pour le cas de Paris : Ville de Paris, « Cadastre solaire », https://capgeo.sig.paris.fr/Apps/CadastreSolaire. Voir également le séminaire de Philippe Blanc, « La ressource solaire : importance, variabilités, moyens de caractérisation et de prévision par des moyens d’observation de la Terre », Collège de France, 26 janvier 2022, https://www.college-de-france.fr/site/daniel-lincot/seminar-2022-01-26-15h30.htm

12Ibid.

13John Perlin, Let it shine. The 6000-Year Story of Solar Energy, Novato, New World Library, 2013.

14  Augustin Mouchot, La Chaleur solaire et ses applications industrielles [Gauthier-Villars, 1869], Paris, Éditions Albert Blanchard, 1980.

15  Émile Zola, « Travail », 1901, in : Bulletin d’histoire de l’électricité, no 24, 1994, p. 79-98, https://www.persee.fr/doc/helec_0758-7171_1994_num_24_1_1254, p. 92-94.

16  Marcel Perrot, La Houille d’or ou L’Énergie solaire, Paris, Fayard, 1963 ; François Pharabod, « Des miroirs ardents aux centrales solaires », in Alexandre Herléa (dir.), L’Énergie solaire en France, op. cit.

17  Voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Complexe_solaire_Noor_Ouarzazate.

18  « Sans décider si les rayons du soleil sont ­eux-mêmes du feu, ou s’ils ne font qu’imprimer au feu contenu dans les corps un degré de mouvement que produit la chaleur, c’est un fait qu’il les réchauffe. » (Extrait de la lettre à Buffon et au supplément au no 108 du Journal de Paris du 17 avril 1784, cité par Augustin Mouchot, La Chaleur solaire et ses application industrielles, op. cit.

19  Edmond Becquerel, « Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumière solaire au moyen des courants électriques », op. cit.

20  François Arago, Rapport de M. Arago sur le daguerréotype, lu à l’Académie des sciences et à la Chambre des députés le 3 juillet 1839, Paris, Bachelier, 1839.

21  Loïc Barbo, Les Becquerel, une dynastie de scientifiques, Paris, Belin, coll. « Les génies de la science » et « Pour la science », 2003. Voir également la biographie d’Edmond Becquerel par Christine Blondel, https://www.persee.fr/doc/inrp_0298-5632_1994_ant_19_1_8404.

22  Edmond Becquerel, « Recherches sur les effets de la radiation chimique de la lumière solaire au moyen des courants électriques », op. cit.

23Ibid.

24Ibid.

25  Edmond Becquerel, La Lumière, ses causes et ses effets, Paris, Librairie Firmin Didot frères, t. 1 et t. 2, 1867.

26  Symposium « Edmond Becquerel, une passion pour la lumière », Paris, 7 décembre 2020, IPVF, https://www.ipvf.fr/fr/symposium-edmond-becquerel.

27  Paul Mathis, Biocène. Comment le vivant a co-construit la Terre, Paris, Le Pommier, 2021.

28  Jack Farineau et Jean-François Morot-Gaudry, La Photosynthèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques, Paris, Éditions Quæ, 2017.

29John Perlin, From Space to Earth: The Story of Solar Electricity et Let it shine. The 6000-Year Story of Solar Energy, op. cit.

30Michael Riordan et Lillian Hoddeson, « The origins of the p-n junction », IEEE Spectrum, vol. 34, no 6, p. 46-51, 1997.

31Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson, « A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power », Journal of Applied Physics, vol. 25, no 5, art. 676, 1954.

32Ibid.

33Martin Green, Proceedings of the 10th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Lisbonne, 1991.

34Kunta Yoshikawa et al., « Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photo­conversion efficiciency over 26% », Nature Energy, vol. 2, 2017, art. 17032, https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.32.

35Ibid.

36William Shockley et Hans-J. Queisser, « Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells », Journal of Applied Physics, vol. 32, no 3, art. 510, 1961, https://doi.org/10.1063/1.1736034. Louise C. Hirst et Nicholas Ekins-Daukes, « Fundamental losses in solar cells », Progress in Photovoltaics, vol. 19, no 3, 2011, p. 286-293, https://doi.org/10.1002/pip.1024.

37Brian O’Regan et Michael Grätzel, « A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films », Nature, vol. 353, 1991, p. 737.

38Ibid.

39Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai et Tsutomu Miyasaka, « Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells », Journal of the American Chemical Society, vol. 131, no 17, 2009, p. 6050-6051, https://doi.org/10.1021/ja809598r.

40James Ball, Michael Lee, Andrew Hey et Henry Snaith, « Low temperature processed meso-superstructured to thin film perovskite solar cells », Energy and Environmental Science, vol. 6, 2013, p. 1739-1743, https://doi.org/10.1039/C3EE40810H.

41T. Jesper Jacobsson, Adam Hultqvist, Alberto García-Fernández et al., « An open-access database and analysis tool for perovskite solar cells based on the FAIR data principles », Nature Energy, vol. 7, 2021, p. 107-115, https://doi.org/10.1038/s41560-021-00941-3.

42Martin A. Green, « Commercial progress and challenges for photovoltaics », Nature Energy, vol. 1, art. 15015, 2016, https://doi.org/10.1038/nenergy.2015.15.

43« Best Research-Cell Efficiencies », NREL, https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies-rev220126.pdf.

44Ibid.

45Adapté de « Best Research-Cell Efficiencies », op. cit.

46International Technology Roadmap for Photo­voltaics (ITRPV), VDMA, 2019, https://www.vdma.org/international-technology-roadmap-photovoltaic.

47Ibid.

48  Hermann Scheer, Le Solaire et l’Économie mondiale, Arles, Actes Sud, coll. « Solin », 2001.

49Coûts et rentabilités du grand photovoltaïque en métropole continentale, rapport de la Commission de régulation de l’énergie, février 2019, https://www.cre.fr/Documents/Publications/Rapports-thematiques/Couts-et-rentabilites-du-grand-photovoltaique-en-metropole-continentale.

50Trends in Photovoltaic Applications 2021, Agence internationale de l’énergie, 2021, https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2022/01/IEA-PVPS-Trends-report-2021-4.pdf

51Ibid.

52Arnulf Jäger-Waldau, « Snapshot of photovoltaics – February 2022 », EPJ Photovoltaics, vol. 13, 2022, p. 1-10, http://dx.doi.org/10.1051/epjpv/2022010.

53Ibid.

54« Global primary energy by sources », OurWorldInData.org, https://ourworldindata.org/global-energy-200-years. Voir aussi : Hannah Ritchie, Max Roser et Pablo Rosado, « Energy », OurWorldInData.org, https://ourworldindata.org/energy.

55Ibid.

56The Future of Solar Energy. An Interdisciplinary MIT Study, Cambridge (Mass.), MIT, 2015, https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2015/05/MITEI-The-Future-of-Solar-Energy.pdf (voir la figure 6.1, p. 127).

57Snapshot of Global PV Markets 2022, Agence internationale de l’énergie, https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2022/04/IEA_PVPS_Snapshot_2022-vF.pdf.

58Panorama de l’électricité renouvelable au 31 décembre 2021, https://assets.rte-france.com/prod/public/2022-02/Pano-2021-T4.pdf.

59  Voir l’article de synthèse de Jean-Marie Tarascon, « Les batteries sont-elles la bonne option pour un développement durable ? », Comptes rendus Géosciences, vol. 352, no 4-5, 2020, p. 410-414, https://doi.org/10.5802/crgeos.27.

60World Energy Outlook 2021, Agence internationale de l’énergie, https://iea.blob.core.windows.net/assets/4ed140c1-c3f3-4fd9-acae-789a4e14a23c/WorldEnergyOutlook2021.pdf. Voir également la figure 18.

61Eero Vartiainen, Gaëtan Masson, Christian Breyer, David Moser et Eduardo Román Medina, « Impact of weighted average cost of capital, capital expenditure, and other parameters on future utility-scale PV levelised cost of electricity », Progress in Photovoltaics, vol. 28, no 6, 2019, p. 1-15, https://doi.org/10.1002/pip.3189.

62World Energy Outlook 2021, Agence internationale de l’énergie, https://iea.blob.core.windows.net/assets/4ed140c1-c3f3-4fd9-acae-789a4e14a23c/World­EnergyOutlook2021.pdf.

63  Eero Vartiainen et al., « Impact of weighted average cost of capital, capital expenditure, and other parameters on future utility-scale PV levelised cost of electricity », art. cité.

64  Voir par exemple l’association Énergie partagée : https://energie-partagee.org.

Table des illustrations

Titre Figure 1. Relation entre puissance et énergie.
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Titre Figure 2. Distribution spatiale de l’irradiation annuelle globale sur plan horizontal en kilowatt-heure par mètre carré et par an.
Crédits Source : Mines Paris-PSL.
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Titre Figure 3. Distribution de la puissance lumineuse en fonction de la longueur d’onde dans le spectre solaire.
Crédits Source : distribution de la puissance lumineuse en fonction de la longueur d’onde dans le spectre solaire, schéma de Degreen, Baba66 et Éric Bajart, Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/​w/​index.php?lang=fr&title=File%3ASonne_Strahlungsintensitaet.svg.
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Titre Figure 4. Cellule électrochimique utilisée par Edmond Becquerel pour la découverte de l’effet photovoltaïque.
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Titre Figure 5. Influence de la longueur d’onde sur le photocourant généré (l’ancêtre de la réponse spectrale) illustrant l’effet photoélectrique, présentée dans la publication originale24.
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Titre Figure 6. Illustration du mécanisme de conversion des photons dans la matière.
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Titre Figure 7. Représentation simplifiée de la photosynthèse.
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Titre Figure 8. Principe de fonctionnement d’une cellule solaire.
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Titre Figure 9. Structure de la première cellule solaire fonctionnelle tout solide (Charles Fritts, 1883).
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Titre Figure 10. Principe de fonctionnement d’une cellule au silicium cristallin.
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Titre Figure 11. Illustration des étapes de développement de la technologie au silicium cristallin.
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Titre Figure 12. Rendement théorique maximum pour une jonction photovoltaïque unique.
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Titre Figure 13. Principe des cellules multi­jonctions et rendements théoriques correspondants. Exemple de la structure tandem silicium-couches minces.
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Titre Figure 14. Panorama des rendements record des cellules obtenues en laboratoire en fonction des différentes technologies, à base de multi­jonctions de matériaux III-V, de silicium cristallin, des couches minces CIGS, CdTe, silicium amorphe ainsi que des filières couches minces en émergence : pérovskite (PK) à colorants, organiques (OPV), CZTS à particules quantiques.
Légende L’émergence des structures tandems Si-PK et CIGS-PK est également visualisée45. « Couches minces » est noté en centimètres.
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Titre Figure 15. Courbe d’expérience de l’évolution du prix de modules photovoltaïques en fonction de la puissance installée cumulée au niveau mondial47.
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Titre Figure 16. Évolution de la capacité installée au niveau mondial en fonction du temps et de la zone d’installation géographique53.
Crédits Source : A. Jäger-Waldau, 2022, CC BY 4.0.
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Titre Figure 17. Évolution de la consommation primaire d’énergie en fonction des sources au niveau mondial55.
Légende Pour les énergies décarbonées, la consommation est ramenée à celle qu’aurait une source carbonée équivalente.
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Titre Figure 18. Évolution de la production mondiale d’énergie électrique en fonction de différentes sources, adaptée de la référence en note 54.
Légende Les pointillés donnent la vision prospective de l’AIE issue des données du scénario NZE (Net Zero Energy) de neutralité carbone en 2050 (flèches vertes), source : voir note 60.
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Titre Figure 19. Évaluation de la réduction d’émission de CO2 pour différents scénarios de décarbonation de l’énergie d’après le rapport 2021 de l’AIE.
Légende La flèche grise ajoutée par nous correspond au pouvoir de réduction des émissions pour 10 TW installés de photovoltaïque.
Crédits Source : IEA (2021) World Energy Outlook 2021, https://www.iea.org/​reports/​world-energy-outlook-2021. Tous droits réservés comme modifié par Daniel Lincot.
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Auteur

Professeur invité sur la chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2021-2022)

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