Plus efficaces, peu écologiques

Depuis que les laboratoires Bells ont présenté leur premier panneau solaire prêt à l’emploi dans les années 1950, tous les efforts de recherches ont été orientés vers la réduction des coûts et l’amélioration du rendement des cellules photovoltaïques. Dans ces deux domaines, les chercheurs ont effectivement fait des progrès spectaculaires : le rendement des panneaux solaires est passé de moins de 5% dans les années 1950 à plus de 20% aujourd’hui, tandis que le prix par watt-crête est passé de 30 dollars en 1980 à moins de 0.2 dollars en 2020 (watt-crête : puissance maximale que les cellules peuvent produire). Ces coûts très bas – permis entre autres par un haut rendement – sont d’une importance capitale car ils permettent au solaire photovoltaïque d’être compétitif sur le marché de l’électricité face aux énergies fossiles.

Pourtant, en matière de durabilité, les progrès ont été bien plus limités. Pour commencer, les panneaux solaires ne sont toujours pas recyclables, et ce depuis les années 1950 : c’est toute une filière de déchets qui finit dans nos décharges. D’autant que ce flux n’est pas près de se tarir : il faut 25 à 30 ans avant qu’un panneau solaire ne devienne inutilisable, et la plupart des panneaux ont été installés récemment. Les dernières estimations des chercheurs avancent qu’en 2050, près de 80 millions de tonnes de panneaux solaires achèveront leur cycle de vie. ¹²³ Cela représente une quantité de déchets significative et un danger pour l’environnement – les cellules photovoltaïques contiennent des éléments hautement toxiques et présentent un risque de combustion.

Le fort besoin en capital de ces technologies, couplé à de longues chaînes logistiques, empêche la production locale de panneaux solaires par des entreprises moins aisés ou des collectifs informels (DIY, Do It Yourself).

La fabrication de panneaux photovoltaïques elle-même pose de nombreux problèmes. Elle génère des déchets toxiques et nécessite une chaîne d’approvisionnement mondiale, comprenant des usines à forte intensité en capital, des machines complexes, des matériaux extraits du sol et un apport régulier en combustibles fossiles. Dans les analyses du cycle de vie des panneaux solaires, les scientifiques calculent la quantité d’énergie et de matériaux nécessaires à la construction d’un panneau solaire. Cependant, ils ignorent la quantité massive d’énergie et de matériaux nécessaires à la mise en place et au maintien de la chaîne d’approvisionnement solaire photovoltaïque ellemême. ^4567891011 Par conséquent, ces études ne révèlent pas le coût réel des panneaux solaires en termes de dépendance aux combustibles fossiles, d’émissions et d’autres pollutions environnementales. En outre, le fort besoin en capital de ces technologies, couplé à de longues chaînes logistiques, empêche la production locale de panneaux solaires par des entreprises moins aisés ou des collectifs informels (DIY, Do It Yourself).

S’inspirer du passé

Les panneaux solaires photovoltaïques sont-ils donc irrémédiablement insoutenables d’un point de vue écologique, voués à générer des déchets non-recyclables ? À dépendre de processus de fabrication high-tech et gourmands en capitaux ? Ou bien au contraire, serait-il possible de les fabriquer avec des ressources locales, recyclables et des procédés de fabrication moins complexes et coûteux en énergie ? Autrement dit, pourrait-on créer des panneaux solaires « low-tech » ? Si oui, à quoi cela ressemblerait-t-il en matière de prix et de rendement énergétique ?

Avant de tenter de répondre à cette question, il est important de noter que dans la plupart des cas, la meilleure manière de faire l’économie d’un panneau solaire high-tech n’est pas d’en trouver un low-tech, mais bien d’utiliser l’énergie du soleil directement. C’est à dire : sans la convertir en électricité. Par exemple, un étendoir à linge ou un chauffe-eau solaire sont incomparablement plus efficaces, écologiques et abordables financièrement que n’importe quel sèche-linge ou chauffe-eau électriques branchés à un panneau photovoltaïque. Utiliser directement la lumière du soleil ne nécessite rien de plus que les matériaux disponibles localement, des techniques de fabrication relativement simples et des chaînes d’approvisionnement courtes.

Pourtant dans cet article, je souhaite répondre à cette question au sens strict : peut-on construire des appareils photovoltaïques low-tech, qui puissent convertir le rayonnement solaire en électricité ? Dans un article précédent, nous avons montré que [l’histoire nous offre des pistes inspirantes pour développer des éoliennes plus écologiques](https://solar.lowtechmagazine.com/fr/2019/06/how-to-make-wind-power-sustainable-again/. L’histoire peut-elle aussi nous inspirer afin de concevoir de meilleures cellules photovoltaïques ?

La préhistoire des cellules solaires

Le panneau solaire présenté en 1954 par les Bell Labs ne sortait pas de nulle part. La cellule en silicium trouve son origine dans des appareils plus simples qui pouvaient produire de l’électricité à partir de lumière ou encore de chaleur.

En 1821, Thomas Seebeck découvrit qu’un courant électrique circule dans un circuit composé de deux métaux de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température. C’est sur cet « effet thermoélectrique » que se basent les « générateurs thermoélectriques » qui convertissent la chaleur (par exemple, celle émise par un poêle à bois) directement en électricité. En 1839, Antoine Becquerel découvrit à son tour que la lumière pouvait se transformer en électricité, et cet effet fut démontré sur les solides et particulièrement le sélénium par plusieurs scientifiques dans les années 1870. Cet « effet photoélectrique » donna naissance au « générateur photoélectrique », que nous appelons à présent générateur « photovoltaïque » ou cellule solaire photovoltaïque. En 1883, Charles Fritts créa le tout premier module photovoltaïque en utilisant du sélénium et une fine couche d’or. ^{12 13 14}

A cette époque les applications pratiques pour les appareils photoélectriques et thermoélectriques ne sont pas légion, et ce jusque dans les années 1950. Plusieurs inventeurs conçoivent différents types de générateurs thermoélectriques, le plus souvent alimentés par une flamme de gaz, et leur rendement dépasse rarement les 1 %. Dans le même temps, le panneau solaire fabriqué par Charles Fritts et les cellules solaires au sélénium qui vont suivre convertissent le rayonnement solaire en électricité à un rendement atteignant péniblement 1 à 2 %. ¹⁵ En bref, la période précédant les années 1950 ne semble pas offrir beaucoup d’inspiration pour fabriquer des panneaux solaires photovoltaïques plus durables écologiquement.

Un pionnier oublié de l’énergie solaire

Et pourtant, il semblerait que ce panorama de la « préhistoire du panneau solaire » soit incomplet. En 2019 j’ai reçu un e-mail de la part d’un lecteur de Low-Tech magazine, Philip Pesavento :

« Cela fait depuis le début des années 1990 que j’étudie l’un des pionniers des cellules solaires qui travaillait dans la période précédant la Première Guerre Mondiale. Je deviens trop vieux pour faire quoi que ce soit avec recherches, et bien qu’il y ait eu un ou deux articles académiques à propos de M. Cove, ils sont passés complètement à côté de ce qu’il a accompli. Je vous ai mis ci-joint le PDF d’un Powerpoint que j’ai réalisé en 2015 et que je n’ai jamais montré à personne. Si cela vous intéresse de rédiger un article à ce propos je pourrai vous envoyer une clef USB avec toute la documentation que j’ai rassemblée. »

Si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, George Cove aurait tenté de fabriquer un générateur thermoélectrique mais aurait accidentellement créé un générateur photovoltaïque – une cellule solaire. Bien que cela se soit passé au début des années 1900, Cove obtint une puissance de sortie et un rendement comparables à ceux des scientifiques des Bell Labs en 1954. Son modèle dépassait également de loin les performances de toutes les cellules solaires au sélénium fabriquées entre les années 1880 et 1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

« Ce serait plutôt excitant de confirmer que des cellules solaires d’une relatif grande efficience furent inventées 40 ans avant que les cellules au silicium ne fassent leur apparition. Plus important encore, s’il s’avère qu’il existait un système de cellules et de panneaux solaires photovoltaïques avant la Première Guerre Mondiale, il pourrait également présenter certains avantages quant au bas coût des matières premières, la faible énergie grise pour convertir les minerais en matériaux métalliques, l’efficacité des cellules photovoltaïques finales et la facilité de fabrication. »

En d’autres termes, si le compte-rendu historique et les hypothèses proposées par Philip Pesavento se révèlent exactes, construire des panneaux solaires low-tech pourrait être à portée de main.

Le générateur électrique solaire de George Cove

C’est en 1905 au Metropole Building à Halifax en Nouvelle-Écosse canadienne que George Cove présenta son premier « générateur solaire électrique ». Il en existe une image, et c’est la seule donnée que nous ayons sur ce panneau. ¹⁷ Pourtant sa puissance et son rendement devaient être remarquables car des investisseurs des États-Unis dépêchèrent un expert à Halifax. Après avoir lu le rapport de cet expert, ils firent venir Cove aux États-Unis (à Sommerville, Massachusetts) pour qu’il puisse continuer à développer son invention.

C’est là-bas que Cove présenta en 1909 sa deuxième machine : un panneau de 1,5 m² qui pouvait produire 45 watts et avait un rendement de 2,75 % pour transformer l’énergie solaire en électricité. Au cours de l’année 1909, Cove déménagea à New York City et c’est là qu’il présenta son troisième prototype. Il s’agissait d’une installation solaire comportant quatre panneaux de 60 watt-crête chacun, qui permettaient de charger cinq batteries au plombacide sulfurique. Cela représentait une surface totale de 4,5 m² , la puissance de production maximale était de 240 Watts et le rendement atteignait 5 % – comparable au premier panneau solaire des Bell Labs. [18]

Bien qu’il ne soit plus fait mention de George Cove dans l’histoire du photovoltaïque, son générateur électrique solaire impressionna sensiblement la presse technique de son époque. Par exemple, en 1909, le Technical World Magazine écrivait : « cette machine est aussi peu coûteuse et robuste que n’importe quelle cuisinière. Même à l’état de prototype rudimentaire, elle est capable, avec deux jours d’ensoleillement, de produire et stocker suffisamment d’électricité pour alimenter une maison ordinaire pendant une semaine. Cet inventeur l’a prouvé depuis des mois et à maintes reprises dans son établissement commercial ». ¹⁸

Des fiches métalliques coulées dans l’asphalte

Comment George Cove a-t-il fait pour construire une installation solaire avec 40 ans d’avance sur son temps ? D’après Philip Pesavento, qui a travaillé en tant qu’ingénieur en semi-conducteurs, Cove souhaitait créer un générateur thermoélectrique (TEG, Thermo-Electric Generator) perfectionné. Son générateur était voué à être exposé à la chaleur d’une cuisinière à bois et à l’énergie solaire dans le même temps. En effet, Edward Watson avait conçu le premier prototype expérimental de générateur thermoélectrique solaire (STEG, Solar TEG) dès 1888. On peut également comprendre clairement quel était le projet initial de Cove avec la description qu’il fait de son appareil :

« C’est un cadre pourvu de plusieurs vitres teintées violettes, derrière lesquelles se trouvent, coulées dans une plaque faite d’un composé asphalté, une myriade de petites fiches métalliques. L’une des extrémités des fiches est toujours exposée au soleil tandis ce que l’autre demeure au frais, à l’ombre. »

Générer la plus grande différence de température possible voilà tout l’enjeu de la production d’électricité avec un système thermoélectrique, ainsi le dispositif imaginé par Cove prend tout son sens. Pourtant, lorsqu’il mesura la puissance générée, il constata que l’appareil ne répondait pas à la chaleur comme le ferait normalement un générateur thermoélectrique. Dès le début, Cove constata que son invention utilisait la chaleur, mais aussi la lumière pour produire de l’électricité lorsqu’elle se trouvait exposée aux rayons du soleil :

« La particularité de mon invention est la suivante : la composition des fiches métalliques a ceci de particulier que lorsqu’elles entrent en interaction avec les rayonnements solaires elles génèrent du courant non seulement grâce au rayonnement thermique mais aussi grâce aux rayons violets. »

Cependant, après avoir d’autres expériences avec la chaleur d’un poêle bois et l’énergie solaire, Cove déclara :

« Exposer la machine à différentes sources de chaleur artificielle ne semble pas générer d’électricité. Seul le rayonnement thermique du soleil semble fonctionner (infra-rouges de courte portée), les rayons violets et ultraviolets jouent peut-être aussi un rôle dans la création du courant électrique. »

En guise de cellules, le panneau solaire de Cove comprenait des « fiches », soit des barres métalliques d’environ 7,5 centimètres, composées d’un alliage de plusieurs métaux courants. Le panneau de 1,5 mètre carré en contenait 976, et on en trouvait 4 x 1804 sur le dispositif de 4,5 mètres carrés. Cependant, garder les barres métallique fraîches d’un côté et chaudes de l’autre – séparées par une couche d’asphalte – n’avait pas d’importance. Ce qui importait, c’est que Cove avait fabriqué sans le savoir une jonction métal/semi-conducteur.

La bande interdite des semi-conducteurs

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprirent comment fonctionnait ce générateur solaire. Ce sont les travaux d’Einstein sur l’effet photoélectrique (en 1905), puis bien plus tard sur la mécanique quantique (dans les années 1930 et au-delà), qui vinrent éclairer la situation grâce aux concepts de matériaux semi-conducteurs et de leur « bande interdite ». Les électrons peuvent avoir plusieurs « rôles » lorsqu’ils sont en orbite autour du noyau d’un atome. On les trouve à différentes distances du noyau où ils forment plusieurs « paquets » que l’on appelle des « bandes ». Ces bandes maintiennent fermement les électrons en place. Entre ces bandes il y a des écarts, des « bandes interdites », où aucun électron ne peut se trouver.

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprenaient comment fonctionnait ce générateur solaire.

Un matériau dit « conducteur » n’a pas de bande interdite, les électrons peuvent donc se déplacer à travers eux. C’est pourquoi un fil de cuivre laisse passer le courant électrique par exemple. Un matériau isolant (le bois, le verre, le plastique ou la céramique) a une bande interdite très large, ce qui bloque le courant électrique. Enfin, un semi-conducteur a une bande interdite plutôt fine : il peut se comporter en isolant ou en conducteur. Il peut devenir conducteur quand ses électrons sont heurtés par des « photons » (une particule élémentaire de la lumière) avec autant ou plus d’énergie qu’il ne leur en faut pour traverser la largeur de la bande interdite du matériau. ¹⁹

Comprendre le fonctionnement des matériaux semiconducteurs a permis de créer les premières cellules solaires photovoltaïques dans les années 1950. Cela a aussi permis d’améliorer les performances des générateurs thermoélectriques, mais pour d’autres raisons : bien que les générateurs thermoélectriques n’utilisent pas les propriétés offertes par la bande interdite des semi-conducteurs, ces matériaux ont un voltage thermoélectrique plus grand et une plus basse conductivité thermique que le métal et les alliages métalliques sans bande interdite, ce qui rend les générateurs thermoélectriques à base de semi-conducteurs plus performants.

La Barrière de Schottky

L’effet photovoltaïque n’apparaît que dans des systèmes non-homogènes. Les scientifiques du Bells Labs ont créé de tels systèmes dans les années 1950 en utilisant la « jonction p-n », qui forme une frontière entre un semi-conducteur chargé positivement et un autre négativement. Les semi-conducteurs de type P ont des places libres pour des électrons appelées « trous » (qui attirent les électrons) tandis ce que les semi-conducteurs de type N ont des électrons supplémentaires. Un potentiel électrique se forme à la jonction entre ces deux éléments du système.

Mais il est également possible de créer un panneau photovoltaïque en utilisant une « Barrière de Schottky », qui se forme entre un semi-conducteur et un métal. Dans ce cas de figure, c’est le métal qui se comporte comme un semi-conducteur de type N. Philip Pesavento explique :

« Mon hypothèse est que Georges Cove a accidentellement créé une cellule solaire basée sur un contact Schottky, des décennies avant que Walter Schottky n’en fasse la description. ²⁰ Ces systèmes permettent de générer un effet photovoltaïque (principalement) mais aussi un effet thermoélectrique.
Les fiches utilisées étaient composées d’un alliage de zinc et d’antimoine – un alliage dont nous savons aujourd’hui qu’il est semi-conducteur. La fiche était surmontée d’un capuchon de maillechort (ou « argent allemand », alliage de nickel, cuivre et zinc) à l’une de ses extrémités, et de cuivre à l’autre. Cela formait respectivement un contact ohmique, puis une barrière de Schottky. Il s’agit d’un appareil photovoltaïque. »

Une découverte fortuite

Si l’on en croit Philip Pesavento, Georges Cove avait probablement pour projet d’utiliser du maillechort comme matériau négatif à chaque extrémité de ses fiches et un alliage de zinc et d’antimoine (ZnSb) comme matériau positif. A l’époque, il s’agissait des meilleurs matériaux thermoélectriques disponibles :

« Je pense qu’il a épuisé son stock de maillechort et qu’il s’est rabattu sur du cuivre pour finir un certain nombre de fiches, ce qui s’entend car la différence de voltage thermoélectrique entre le cuivre et l’argent allemand est très faible. Puis, pendant qu’il effectuait ses tests, Cove a remarqué que ces fiches (celles avec une extrémité recouverte de maillechort et l’autre de cuivre) atteignaient un voltage nettement plus haut que les autres : dans les centaines de mV plutôt que les dizaines de millivolts habituellement observées dans les générateurs thermoélectriques. »

Que se passa-t-il ? En utilisant du cuivre, Cove avait involontairement créé une Barrière de Schottky. Ainsi son générateur thermoélectrique devînt un générateur thermophotovoltaïque. « Un appareil qui fonctionne à la manière des cellules solaires photovoltaïques, mais réagissant à d’autres longueurs d’ondes. Le spectre du rayonnement solaire a une amplitude qui va d’environ 0,5 à 2,9 électron-Volts (eV), de l’infrarouge à l’ultraviolet. Un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 1 et 1,7 eV peut convertir efficacement la lumière visible en électricité (c’est un générateur photovoltaïque), tandis qu’un semi-conducteur dont la bande interdite est comprise entre 0,4 et 0,7 eV peut convertir efficacement en électricité le spectre infrarouge du rayonnement solaire (c’est un générateur thermophotovoltaïque).

On sait que ZnSb – le matériau négatif utilisé par Cove pour ses fiches – est un semi-conducteur avec une bande interdite de 0,5 eV. Cela explique en grande partie pourquoi l’inventeur a commencé par observer que son générateur solaire convertissait en électricité tout autant la chaleur que la lumière. Un générateur thermophotovoltaïque ne réagit pas seulement à la part infrarouge du rayonnement solaire, mais il est également sensible au rayonnement d’une flamme ou encore d’une surface incandescente chauffée au bois ou au gaz. Il convertit également une fraction très basse du spectre de la lumière visible en électricité, avec un rendement très faible.

D’après Philip Pesavento, Cove aurait alors ajusté la composition de l’alliage jusqu’à approcher Zn4Sb3 – un alliage de zinc et d’antimoine avec 4 parts de zinc pour 6 parts d’antimoine. On sait maintenant qu’il s’agit aussi d’un semi-conducteur. Pourtant, celui-ci a une bande interdite de 1,2 eV, soit presque comme le silicium (1,1 eV). Ainsi, le générateur thermophotovoltaïque de Cove est devenu un générateur photovoltaïque :

« Grisé par ses découvertes, Cove a probablement voulu fabriquer un grand nombre de fiches et se serait trompé dans les proportions pour l’une des séries. Il a alors mesuré un voltage plus élevé. Cove a alors mené une étude plus poussée sur les alliages de zinc et d’antimoine qui lui a permis de constater que à la proportion de 40-42% de zinc dans l’alliage était celui dont découlait le plus haut voltage (comparativement aux 35% de zinc dans ZnSb). Le nouvel alliage découvert accidentellement par Cove, Zn4Sb3, ayant une plus grande bande interdite que son précédent alliage, cela signifiait qu’il ne générait plus d’électricité lorsqu’il était exposé à la chaleur d’un poêle à bois. Par contre, il surpassait tous les autres alliages lorsqu’il était exposé au rayonnement solaire –car il convertissait désormais une bien plus grande part du spectre lumineux solaire en électricité. »

En utilisant des filtres de verre teintés, George Cove découvrit que la plupart de l’électricité générée l’était en réaction aux rayonnements du côté violet du spectre et très peu provenait du « rayonnement thermique ». Ses prototypes de générateurs photovoltaïques précédents réagissaient de manière équivalente au rayonnement thermique et aux rayons violets, tandis que ses premiers essais (avec du maillechort aux deux extrémités des fiches) ne réagissaient pas du tout aux rayons violets.

Et si on s’intéressait de nouveau à la cellule solaire Schottky?

Les cellules solaires à contact Schottky n’ont été que peu étudiées par les chercheurs et les entreprises privées – on compte très peu de dispositifs photovoltaïques qui utilisent du métal dans leur surface active à part pour les contacts métalliques. ²¹ Malgré tout, Philip Pesavento est persuadé qu’il pourrait valoir la peine de tenter de recréer des cellules photovoltaïques « de Schottky » en s’inspirant des travaux de George Cove :

« S’il était démontré que Zn4Sb3 (avec sa bande interdite de 1,2 eV) peut être utilisé dans une cellule photovoltaïque, il est probable qu’une installation solaire basée sur ce principe serait plus écologique. Elle obtiendrait probablement un TRE (Taux de Retour Énergétique ou EROI, Energy Return on Investment – NdT) élevé et une durée de vie conséquente avec un surplus d’énergie généré sur plusieurs décennies. C’est incroyable que tout le monde semble avoir oublié ce matériau et ses applications possibles dans le photovoltaïque, aucun dispositif solaire basé sur Zn4Sb3 n’a été développé, et ce même après que des chercheurs aient démontré que cet usage serait possible au milieu des années 1980. On peut dire qu’il s’agit d’une découverte prématurée, ce qui veut dire qu’elle pourrait être développée très rapidement avec les moyens actuels. »

Au-delà des panneaux solaires, Philip Pesavento voit aussi un potentiel pour les recherches de Cove dans le développement du thermophotovoltaïque pour les poêles à bois, des application solaires thermiques ou des utilisations tandem en utilisant une double jonction, en utilisant ZnSb plutôt que Zn4Sb3. Pesavento imagine également, si les cellules solaires « à fiches » s’avéraient efficaces, qu’elles permettraient de construire des concentrateurs-collecteurs solaires – comme des miroirs cylindro-parabolique ou des concentrateurs paraboliques composés – pour un coût bien plus bas.

Fabrication low-tech

Le principal attrait du dispositif conçu par Cove est sa méthode de fabrication low-tech. Dans les années 1970 et 1980, des études portant sur un usage photovoltaïque du Zn4Sb3 conclurent que : « les deux atouts évidents de ce matériau sont sa facilité de fabrication et la basse température requise dans la procédure ». ²² Le point de fusion du Zn4Sb3 est de 570 °C, tandis qu’il est de 1400 °C pour le silicium.

Dans les années 1970, des chercheurs ont étudié les cellules solaires Schottky à contact métal/semi-conducteur, cependant il s’agissait d’autres types de semi-conducteurs que le Zn4Sb3. Encore une fois, leur motivation était la procédure de fabrication simple et économique comparativement aux cellules solaires à jonction p-n au silicium de l’époque. ²³²⁴ Pour fabriquer des cellules solaires Schottky, nul besoin de faire diffuser du phosphore à haute température afin de créer une jonction p-n, comme c’est le cas avec le silicium que nous utilisons actuellement. Retrancher cette étape du processus suffit à réduire de 35 % la quantité d’énergie nécessaire à la création des cellules solaires. ²¹

Au cours des années 1980, les chercheurs firent de grandes avancées en ce qui concerne la création de jonctions p-n, si bien que l’intérêt déclina pour les alternatives. Cependant, les dernières années ont vu renaître un intérêt pour d’autres techniques et matériaux. Par exemple, des recherches portant sur les cellules Schottky à base d’un alliage graphène-silicium sont parvenues à la conclusion suivante : « l’un des avantages de cette technique est sa simplicité et son bas coût de mise en œuvre sans procédé de fabrication à haute température ». ²⁵ Dans d’autres études très récentes, les chercheurs concluent que les cellules de type Schottky « au sélénium sont […] très simple et bon marché à fabriquer ». ^26272829

Un recyclage facilité

Un autre atout de ce type de cellules pourrait bien être leur facilité de recyclage. Les modules de silicium sont pris en sandwich entre deux couches feuilletées et encapsulantes (de l’EVA la plupart du temps - éthylène-acétate de vinyle, obtenu par copolymérisation). Ces couches sont déterminantes dans la longévité du module. ¹²³ Au moment de recycler le silicium – le composant le plus précieux d’un panneau solaire – il est nécessaire de retirer ces couches, mais les brûler détrut également les modules. Les cellules de silicium ne peuvent être recyclées qu’avec une combinaison de procédés thermiques, chimiques et métallurgiques. C’est un processus qui est à la fois coûteux et peu écologique. Si l’on voit parfois écrit qu’environ 10 % des panneaux solaires sont « recyclés », il est plus probable qu’ils aient été « sous-cyclés ». Les modules ont été déchiquetés, puis les lambeaux utilisés comme « filler » (fines d’addition, NdT) pour l’asphalte ou le béton de ciment.

En revanche, les cellules photovoltaïques de Georges Cove étaient intégralement recyclables. Elles n’avaient pas besoin de ces couches protectrices et ne contenaient pas de soudure. Philip Pesavento :

« Si l’on construisait ces cellules à la manière de Cove, c’est dire en emmanchant en force les capuchons à la presse autour des fiches et en enroulant du fil de fer autour pour bien les maintenir en place, cela faciliterait leur recyclage car il ne s’agit que d’opérations mécaniques sans usage de quelque produit chimique. Cela nécessiterait beaucoup de main-d’œuvre afin d’assembler ou de démonter le dispositif, mais il serait toujours possible d’automatiser le processus. »

Pesavento est persuadé qu’il serait aussi possible de construire des cellules solaires très fines à partir des matériaux utilisés par Cove. Toutefois, reste à savoir s’il serait véritablement indispensable d’y adjoindre une couche protectrice qui en compliquerait le recyclage. Les cellules solaires de Schottky basées sur d’autres matériaux et sur lesquelles ont été menées des études dans les années 1970 n’avaient pas toujours de couches protectrices et pourtant certaines ont atteint une longévité de 20 ans. ²³

Efficacité

Quels rendements pourrait-on espérer atteindre avec nos futurs panneaux solaires low-tech, si tenté qu’ils puissent voir le jour ? D’après Philip Pesavento, les cellules solaires de type Schottky sont légèrement moins efficientes à matériaux équivalents que les cellules à jonction p-n, car ces dernières génèrent un voltage plus élevé : elles reçoivent plus d’énergie de la part des photons qu’elles absorbent.

« Quand il s’agit de tirer le meilleur rendement possible d’un dispositif à tout prix, c’est une bonne option. Mais si l’objectif est de pouvoir fabriquer des cellules solaires plus facilement avec des méthodes manuelles ou artisanales, alors il serait plus logique d’utiliser des diodes de Schottky. »

D’un autre côté, il serait théoriquement possible de fabriquer des cellules de Schottky qui soient plus fines que des cellules PV en silicium – et cela contribuerait à améliorer leur rendement. Philip Pesavento :

« Je n’ai pas trouvé les chiffres précis des paramètres – vélocité des porteurs de charge, durée de vie des recombinaisons, coefficient d’absorption – pour dire ce qui suit sans équivoque. Mais le fait que Cove ait pu obtenir un aussi haut rendement avec des cellules en forme de baguettes laisse à penser que cela pourrait également fonctionner avec de cellules plates et fines. »

Là encore, on peut trouver des études récentes menées sur les cellules Schottky, à base d’autres matériaux, qui semblent aller dans ce sens. Par exemple, lors d’une expérience menée récemment avec des cellules Schottky au sélénium, les chercheurs ont réussi à affiner la couche de cellules jusqu’à 100 µm, contre 200 à 500 µm habituellement pour les cellules de silicium. ²⁶³⁰ Les scientifiques ont également atteint un rendement expérimental de 17 % avec une cellule Schottky graphène/silicium, alors qu’il y a dix ans le rendement pour ce type de cellules s’élevait à 1,5 %. ²²

On peut aussi questionner l’obsession actuelle pour les rendements plus élevés. Un argument que l’on entend régulièrement est que si des panneaux low-tech voient le jour mais qu’ils sont moins efficaces que leurs équivalents high-techs, alors il faudrait construire plus de panneaux solaires pour produire la même quantité d’énergie. Par conséquent, les ressources qui auraient été sauvegardées grâce aux méthodes de productions low-tech seraient dépensées pour construire ce plus grand nombre de panneaux. Pourtant, atteindre un haut rendement n’est essentiel que si l’on prend la demande en énergie actuelle pour un fait immuable. Une moindre efficacité par panneau pourrait tout à fait être compensée en diminuant la demande en énergie, surtout si cela peut nous permettre de rendre cette production d’énergie plus écologique à long terme et d’économiser des ressources sur toute la chaîne logistique. Comme pour les éoliennes, sacrifier une part d’efficacité pourrait nous apporter de grands grains en matière de durabilité.

Qu’est devenu George Cove?

Si le panneau solaire créé par George Cove était si révolutionnaire, pourquoi n’en entend plus parler aujourd’hui ? À ce propos, les documents sur lesquels Philip Pesavento s’est appuyé pour ses recherches tissent un récit digne d’un polar. Les plans de Cove pour produire à plus grande échelle et commercialiser son appareil photovoltaïque se sont soldés par d’étranges échecs.

L’inventeur s’est associé avec un manipulateur de marchés financiers – Elmer Burlingame – qui a émis des actions pour différentes entreprises qui ne lui appartenaient pas, en 1909 et 1910, incluant la start-up de Cove, la Sun Electric Generator Company. En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et menacé de meurtre s’il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire. Pourtant à l’époque, la police ignore la piste du kidnapping, jugeant qu’il s’agit d’une histoire montée de toutes pièces. En 1911, Cove et Burlingame furent tous les deux arrêtés pour fraude boursière et passèrent un an en prison. Par la suite, Cove travailla sur d’autres inventions, mais aucune ne porta sur l’énergie solaire. ³¹

En octobre 1909, il semblerait que Cove ait été kidnappé et qu’on l’ait menacé de meurtre si il n’arrêtait pas le développement de son invention solaire.

George Cove était-il un charlatan ? Ou bien a-t-il été la victime de l’un d’eux ? Ou bien encore est-ce que sa réputation a été sciemment entachée parce que son générateur d’électricité solaire risquait de nuire aux profits d’autres entreprises ? On trouve de nombreux exemples de technologies novatrices tuées dans l’œuf par de grandes entreprises basées aux USA. George menait ses recherches à l’époque de l’Edison Electric Illuminating Company à New York, dont les pratiques sans scrupules envers la concurrence sont largement documentées. Si son générateur solaire avait bien fonctionné, alors la demande, croissante à l’époque, en centrales électriques à charbon et à pétrole vendues par Edison, aurait pu en être affectée. ³¹ Plusieurs décennies plus tôt, dans les années 1880, Edison avait notoirement racheté l’entreprise qui fabriquait le meilleur générateur thermoélectrique de l’époque – la thermopile améliorée de Clamond – et avait stoppé le développement de la machine. ³²

Encore plus de mystères

Néanmoins, s’il est tentant d’imaginer George Cove en victime de l’histoire, on ne peut que spéculer. Les archives rassemblées par Philip Pesavento recèlent même d’autres mystères, comme le brevet de Cove – déposé en 1905 et accordé en 1906. Dans celui-ci, l’inventeur détaille la manière dont il a créé ses fiches de Zn4Sb3, ce qui a permis à Pesavento de se baser sur le brevet pour calculer la puissance et le rendement du dispositif solaire. Pourtant Cove décrit la manière dont les fiches peuvent convertir la chaleur d’un poêle à bois en électricité, ce qui n’est pas compatible avec son choix de matériau. Le générateur avec le poêle ne fonctionnerait qu’avec des fiches en ZnSb et leur bande interdite de 0,5 eV. Philip Pesavento :

« Peut-être que ces instructions erronnées étaient volontaires de la part de Cove afin qu’on ne puisse pas copier son brevet de générateur à chaleur et le faire fonctionner ? Je ne sais pas. »

Encore plus surprenant, on trouve une photo de Cove posant aux côtés de l’un de ses panneaux solaires dans le livre de 2013 « Let it shine : The 6,000-Year Story of Solar Energy », un panorama historique de l’énergie solaire, par John Perling. Pourtant, la légende de la photo attribue le panneau solaire présent sur l’image à Charles Fritts, l’inventeur de la cellule solaire au sélénium. De plus, George Cove lui-même a été coupé de la photo. Des extraits du livre, ainsi que la photo, sont apparus sur plusieurs sites internet. Cela n’a pas surpris Philip Pesavento quand je le lui ai fait remarquer :

« J’ai découvert ça il y a des années. J’imagine que quelqu’un qui avait absolument besoin d’une image du panneau solaire de Fritts a trouvé celle-ci et retiré Cove de la photo sur Photoshop. Après tout, c’est vrai qu’il est totalement inconnu et quand il arrive que quelqu’un le connaisse, c’est en pensant qu’il a inventé un générateur thermo-électrique, pas un panneau photovoltaïque. Si on regarde bien les deux photos, on peut voir que le haut de la colonne de droite du portique a été déplacé là où se tenait Cove, il y a quelque chose d’étrange dans sa perspective. »

Mise à jour : Bellingcat démêle le mystère de l’image.