« Energies renouvelables : le solaire, un espoir en ligne de mire »

Les énergies sont au cœur des débats pour tout pays qui aspire à un développement durable et raisonné. Mais, néanmoins, dans le panel d’options qui se présentent, certaines sont plus attractives et engageantes que d’autres. Une énergie comme le nucléaire est coûteuse en terme d’infrastructures et reste encore inaccessible pour bon nombre d’Etats. Celui-ci suppose une stabilité politique et une « modération » dirigeante excluant de ce fait l’octroi du nucléaire civil à tout régime menaçant au niveau global ou régional. Chacun verra l’inopportunité de laisser le nucléaire civil à la portée de régimes religieux extrémistes proférant des harangues belliqueuses. D’autres énergies sont polluantes, on pensera notamment à celles issues de la pétrochimie avec des combustibles fossiles et des centrales thermiques tristement célèbres, allant à l’encontre des principes du traité de Kyoto... et promises donc à une utilisation déprogrammée. Mais, d’autres sources énergétiques tendent à prendre plus de place pour contourner la cherté des produits dérivés du pétrole. Ainsi, les pays du Nord optent souvent pour les énergies renouvelables telle que l’énergie éolienne, le solaire et l’hydraulique. On citera la décision très récente de l’Europe de pousser les nouvelles énergies à un niveau de 20% de représentativité d’ici vingt ans. Le mouvement a été fortement initié par des Etats sensibilisés par des politiques « vertes »... Ainsi, le parc éolien de l’Allemagne s’impose déjà comme un modèle des plus performants et des plus imposants, même si les experts considèrent que transformer la force d’Eole en électricité revient très cher à long terme. Autre exemple, le Portugal vient de renoncer au nucléaire pour opter pour le « tout solaire ». L’Espagne s’est déjà orientée dans ce sens en produisant en masse ce type de stratégie énergétique. Aussi, le solaire semble l’énergie la plus adaptée à la fois pour un foyer occidental qui veut chauffer son habitat et un foyer oriental pour améliorer la vie quotidienne. En effet, l’énergie solaire est idéale pour un pays qui s’ouvre vers la modernité et le développement, ceci d’autant plus qu’un pays démuni ne pourrait pas se permettre de débloquer les sommes exorbitances et faire des investissements très lourds pour un résultat peu convaincant. Ainsi le solaire peut aider les pays qui optent pour des investissement intelligents et ciblés. Après cet état des lieux « géo-énergétique », nous découvrirons tour à tour les principes de l’énergie solaire, au travers de son fonctionnement et de sa découverte, de son utilisation... Nous découvrirons la mise en place de cette énergie notamment au détour de vallées et régions luxuriantes ou désertiques d’Afrique (Partie II). Mais avant, quelques notions et hommages historiques s’imposent, agrémentés de quelques réflexions plus personnelles. Rappelons-nous, avant de passer à une histoire décortiquée, que souvent les chercheurs peu connus, oubliés ou évincés par leurs pairs ont permis des avancées notables et cruciales pour notre développement...

L’histoire de l’énergie solaire pourrait remonter à Archimède qui en tant qu’Africain du Nord fier et courageux réussit à incendier les galères offensives romaines aux abords de Carthage et cela à l’aide d’un puissant miroir directionnel capable de concentrer la lumière en un faisceau hypercalorifique. Le soleil était instrumentalisé pour la première fois dans la mémoire collective de notre humanité.

C’est pourtant en 1839 qu’un francophone du nom d’Edmond Becquerel décrivit l’expérience d’une batterie photovoltaïque archaïque dont le voltage était à peine décelable sous l’effet du soleil. Mais cinquante ans plus tard, c’est à Cambridge que Adams et Day décrivirent les propriétés électriques du silicium sous l’effet de la lumière. A New York, dans la même période, Charles Edgar Fritt met au point l’ancêtre de la cellule photovoltaïque (PV) que nous connaissons. La suite de l’histoire évoque le perfectionnement de la cellule inventée par E.Fritt. Bradeen et alii adoptèrent les propriétés des transistors aux Cellules PV. Ils diffusèrent délibérément des impuretés au sein des films de silicates grâce à l’inclusion d’éléments de Bore et de phosphore. De larges améliorations découlèrent des recherches sur les semi-conducteurs conduites par Charpin, Fuller et Pearson et permirent de produire des cellules PV plus efficaces. Sur celle lancée, ce trio génial produisit des cellules PV « dopées » par des impuretés positionnées en séries (article 1954). Par la suite le premier téléphone solaire sera mis au point pour mettre en lien ces deux innovations très marquantes du XXe siècle. Dès la fin des années 60, la NASA flaira un intérêt pour subvenir aux besoins énergétiques des satellites. Par la suite, l’étape industrielle démarra et permit de produire des cellules PV à grande échelle, concrétisant les espoirs de programmes énergétiques nationaux.

Pour bien comprendre l’énergie solaire, il faut revenir aux principes de la physique simplement. Il existe des matériaux appelés semi-conducteurs qui sont sensibles aux rayonnements, notamment à ceux du soleil. Sous l’effet des rayons lumineux, les électrons de ces matériaux sont d’abord excités par l’afflux d’énergie puis éjectés de l’atome. Là, suffisamment induits ou activés, ils peuvent créer un flux de courant. Grâce à des combinaisons de structures, mélangeant les dérivés de silicates et des impuretés microscopiques, les industriels ont pu créer les cellules photovoltaïques permettant de récupérer une énergie électrique avec un rendement intéressant. On passera les détails de la fabrication d’une cellule PV qui à partir de sable (SiO2) subit des réductions (procédés faisant intervenir du coke). Une étape de dissolution en présence d’acide chlorhydrique permet d’obtenir un mélange de « chlorosilane ». Ce composé est alors distillé et réduit pour être soumis à une chaleur d’environ 900°C en présence d’hydrogène. La dernière opération consiste en un ultime chauffage avoisinant les 1500°C. Même si le procédé peut paraître obscur pour l’amateur, on peut toujours être amusé et admiratif devant le fait qu’à partir d’un dérivé du sable en présence de soleil on puisse produire de l’énergie. C’est de l’ordre de la simplicité absolue, l’homme ayant à sa portée une énergie écologique et durable. La question qui se poserait aujourd’hui serait de savoir si certains sables, notamment des régions désertiques, seraient de bons candidats pour la fabrication de cellules PV plus efficaces. Quel avenir serait prodigieusement tracé pour les villages à proximité de dunes si souvent observées comme une menace pour la vie.

Parmi les différents types de cellules PV, on distingue essentiellement les monocristaux et polycristaux. Les premières, très homogènes, sont obtenues par le procédé dit Czocharki et les dernières sont considérées comme moins pures mais surtout moins chères pour un rendement très intéressant. Le physicien amateur pourrait relever des « impuretés cristallines », à savoir des grains au sein d’un film très homogène de silicates. Pour les férus de physique, on notera que l’utilisation de nouveaux matériaux à base de gallium arsenic (GaAs) a vu le jour, consistant en des réseaux alternés de gallium et d’arsenic. Leur grande réactivité est appréciée surtout pour équiper des engins spatiaux qui ont besoin de créer leur propre énergie afin de se déplacer dans les terres martiennes ou pour envoyer des données informatiques d’un point à l’autre du système solaire. On citera l’épopée actuelle des robots « Spirit et Oportunity » de type MER (Mars Exploration Rover) qui balayent depuis deux ans la planète rouge grâce à une consommation d’énergie d’environ 900 Wattheures par jour. Par ailleurs, afin de rendre les structures plus malléables, les couches photoactives sont souvent positionnées sur un maillage d’aluminium fin pour permettre une « plasticité » du système... les nouvelles cellules PV pourraient éventuellement se tordre ou accepter des déformations. Pour finir, ce passage en revue des dérivés photovoltaïques, il faut ajouter un mot sur le dioxyde de titane (TiO2) qui se comporte en excellent « récepteur solaire ». De même, une couche d’osmium ou de ruthénium permet de conduire à une transformation de l’énergie grâce à un procédé plus physico-chimique (oxydoréduction classique). L’avenir, enfin, de ces capteurs de vie serait, dit-on, à la nanotechnologie. La nouvelle génération de cellules PV pourra être agencée au cordeau... atome après atome...

Apres ces détails qui auront été appréciés par quelques jeunes physiciens, il faut revenir philosophiquement à ce que le solaire amène comme base intellectuelle. Nous sommes peu de chose et pourtant avec du sable (SiO2) et de l’imagination, l’homme a la possibilité de subvenir à ses besoins quotidiens voire à répondre à ses rêves. Encore ainsi, la science montre qu’elle sert le développement en bonne intelligence avec une éthique durable.

Ce cheminement intellectuel montre combien parfois la science est proche du développement humain et aide à la croissance. Je souligne cela au travers de cet historique car, lors d’une conférence présentée en 2006 au Museo de Historia Natural, Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Pérou), Francis Kahn inaugurait ainsi son travail intellectuel : « Je m’interroge, comme chercheur, sur la pertinence de l’apport de la recherche scientifique dans un questionnement éthique sur le développement durable. Il ne s’agit pas de désengager la science de ce questionnement éthique, mais de mieux cerner ce que peut être son apport. La lecture de l’ouvrage Éthique et développement durable d’Yvan Droz et Jean-Claude Lavigne est venue renforcer mon sentiment que la recherche en tant que processus de validation des connaissances reste très en marge du développement durable. J’avais eu ces mêmes interrogations à la lecture de la charte de l’environnement adoptée par la France en 2004 ». Face à cette digression fort intéressante, il m’est venu un sentiment profond d’incompréhension car ce questionnement de Francis Khan montre un manque de perspective sur le flot de la connaissance et de sa dynamique vis-à-vis des notions de développement. En regardant l’histoire des sciences et leur interconnection avec la vie quotidienne, on trouve les stigmates d’un lien fondamental entre recherche, connaissance et développement et par extension développement durable. La science du XIXe siècle a tout simplement ouvert les portes de notre ère à une science moderne au service du développement humain en phase avec une nature respectée. Peut-être faut-il voir dans cette dynamique, le coup de pouce d’un inconscient collectif qui mène les chercheurs à leur insu à produire les moyens de faire subsister l’humanité face au défi du futur.