Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Comment faire un panneau solaire Low-tech

Une figure méconnue de l’énergie solaire, George Cove, pourrait avoir réussi à construire un panneau photovoltaïque très efficace, une quarantaine d’années avant que les ingénieurs des Bell Labs n’inventent les cellules photovoltaïques à base de silicium. Si le modèle de panneaux créé par Cove s’avérait utilisable en conditions réelles, il serait possible de s’en inspirer pour créer des panneaux solaires très efficaces et plus durables.

Traduit par: Camille Martin

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George Cove, aux côtés de son troisième dispositif solaire. Source: “Generating electricity by the sun’s rays”, Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Plus efficaces mais peu écologiques

Depuis que les laboratoires Bells ont présenté leur premier panneau solaire prêt à l’emploi dans les années 50, 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 passée de moins de 5% dans les années 50 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. Ces coûts très bas, permis par un haut rendement, tiennent une grande place dans le narratif sur les énergies renouvelables car ils permettent au solaire d’être compétitif sur le marché de l’électricité face aux énergies fossiles.

Pourtant, en ce qui concerne l’impact écologique, les progrès ont été bien plus limités. Pour commencer, les panneaux solaires ne sont toujours pas recyclables, et ce depuis les années 50: 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 devienne inutilisable, et la plupart des panneaux ont été installés récemment. Les dernières estimations avancent qu’en 2050, près de 80 millions de tonnes de panneaux solaires achèveront leur cycle de vie : cela représente une quantité de déchets phénoménale, mais également une menace à court et long terme car les cellules photovoltaïques contiennent des éléments hautement toxiques et présentent un risque de combustion.

La priorité est donnée à l’industrie lourde, qui nécessite un investissement initial conséquent et la mise en place de filières d’approvisionnement et de réseaux de distribution très étendus; cela dissuade de plus petites entreprises ou des collectifs informels de se lancer dans la production à échelle locale de panneaux solaires.

La fabrication de panneaux photovoltaïques elle-même pose de nombreux problèmes. Elle génère des déchets toxiques et nécessite de passer par des filières d’approvisionnement mondialisées. Un cocktail d’usines à forte intensité capitalistique, de machines-outils perfectionnées, de ressources issues de l’exploitation minière, le tout dilué aux énergies fossiles d’un bout à l’autre de la chaîne.

Lorsque des scientifiques réalisent l’analyse de cycle de vie d’un panneau solaire, ils cherchent à calculer la quantité de matériaux et d’énergie nécessaire à la fabrication d’un panneau. En revanche, ils ne considèrent pas l’énergie et les ressources nécessaires à mettre en place et entretenir la chaîne logistique responsable de la fabrication et de la distribution des panneaux. 4 5 6 7 8 9 10 11 Ainsi ces études ne révèlent en rien le véritable coût des panneaux solaires en termes de dépendances aux énergie fossiles, d’émissions de gaz à effet de serre ou d’autres pollutions environnementales. De plus, cette priorité donnée à l’industrie lourde, avec ses capitaux et ses longs circuits d’approvisionnement, dissuade de plus petites entreprises ou des collectifs informels (« Do It Yourself », NDT) de se lancer dans la production à échelle locale de panneaux solaires.

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 d’un complexe techno-industriel centralisé nécessitant des capitaux très importants ? 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 termes de prix et de rendement énergétique ?

Avant 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 fonctionne grâce à l’économie locale, avec peu d’intermédiaires.

Pourtant dans cet article, je souhaite répondre à cette question au sens strict : peut-on construire des appareils photovoltaïques low-tech, qui puisse convertir le rayonnement solaire en électricité ? Dans l’un de nos articles nous avons montré que l’histoire nous offre des pistes inspirantes pour développer des éoliennes plus écologiques. Pourrait-t-on également y piocher des idées pour 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 appareil 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 Bref, peu de matière ici pour nous aider à créer des panneaux solaires utilisables.

Un précurseur 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 qui précédait la Première Guerre Mondiale. Je deviens trop vieux pour continuer, et bien qu’il y ait eu quelques articles académiques à propos de M. Cove ils sont passé complètement à côté de ce qu’il a accompli. Je vous ait 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 pourrais 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. Ce n’est qu’au tout début du XXe siècle que cela ce serait passé, pourtant le rendement de la cellule créé par Cove était comparable à celui de la cellule des Bell Labs en 1954. Le modèle développé par Cove dépassait de loin les performances de toutes les cellules solaires au sélénium fabriquées entre les années 1880 et 1940.16 Philip Pesavento: « Ce serait formidable de confirmer que des cellules solaires de plutôt grande efficience ont été inventées 40 ans avant que les cellules au silicium ne fassent leur apparition. Mais surtout, si il est prouvé qu’un système de panneaux photovoltaïque a pu être créé avant la première guerre mondiale, cela pourrait signifier qu’il utilisait des matières premières peu coûteuses aujourd’hui, avec peu d’énergie grise nécessaire à la transformation du minerai en métal, simple à fabriquer et présentant peut-être un rendement intéressant. »

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 investisseur 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 1,5m2 qui pouvait produire 45 watt 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 plomb-acide sulfurique. Cela représentait une surface totale de 4,5m2 et la puissance de production maximale était de 240 Watts, le rendement atteignait 5 % - comparable au premier panneau solaire des Bell Labs. 18

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Ci-dessus: Le premier panneau solaire de George Cove, présenté en 1905. Source: Technical World Magazine 11, nr4, Juin 1909.

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Ci-dessus: Le deuxième panneau solaire de Cove, dont une partie est manquante. Source: Technical World Magazine 11, nr.4, Juin 1909.

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Ci-dessus: Le troisième panneau solaire créé par George Cove. Source: “Harnessing sunlight”, René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

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Ci-dessus: La troisième installation solaire de Cove. Les panneaux sont maintenant inclinés et non plus posés à plat.Source: Literary Digest 1909, pp. 1153.

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Ci-dessus : L’un des panneaux de la troisième installation solaire, sans les vitres. Source: “Harnessing sunlight”, René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, Septembre 1909.

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. 19

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) 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) 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 constate que son invention utilise la chaleur, mais aussi la lumière pour produire de l’électricité lorsqu’elle se trouve 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.”

Après avoir mené plusieurs expériences en utilisant la chaleur du poêle, l’exposition solaire ou une combinaison des deux, Cove précisa sa compréhension du phénomène :

Exposer la machine à une source de chaleur artificielle ne semble pas générer d’électricité, peu importe la source utilisée. Seul le rayonnement thermique du soleil semblent 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 d’un d‘1,5 mètre carré en contenait 976, et on en trouvait 4 x 1804 le dispositif de 4,5 mètres carrés. Cove cherchait à ce que les barres métalliques soit froides d’un côté et chaudes de l’autre en utilisant une couche d’asphalte pour isoler chaque côté de l’autre. Pourtant, tout cela n’avait aucune importance: ce qui changeait tout, c’est que Cove avait accidentellement un matériau semi-conducteur, pourvu d’une fine bande interdite.

La bande interdite des semi-conducteurs

Ni Georges Cove, ni aucun de ses contemporains ne comprenait 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 30 et au delà) qui vinrent éclairer la situation grâce au concepts de matériaux semi-conducteur 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 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 : ils peuvent 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 plus d’énergie qu’il ne leur en faut pour traverser la largeur de la bande interdite du matériau.20

Comprendre le fonctionnement des matériaux semi conducteurs 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 50 en utilisant la “jonction p-n”, c’est à dire la surface de contact entre un semi-conducteur ayant subi un dopage positif de type P et un autre ayant subi un dopage négatif de type N. 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 (l’ensemble est nommé « diode », NdT)

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 créée une cellule solaire basée sur un contact Schottky, des décennies avant que Walter Schottky n’en fasse la description. 21 Ces systèmes permettent de générer un effet photovoltaïque mais aussi, incidemment, 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 », NdT) 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 extrémités de ses fiches, et un alliage de zinc et d’antimoine (ZnSb) comme matériau positif. A l’époque, il s’agissait des meilleurs matériaux thermoélectrique 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 electron-Volts (eV), de l’infrarouge à l’ultraviolet. Un semi-conducteurs dont la bande interdite est comprise entre 1 et 1,7 peut convertir efficacement la lumière visible en électricité (c’est un générateur photovoltaïque), tandis ce 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).

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Ci-dessus: Cette illustration issue du brevet de 1906 de Cove montre l’alliage zinc-antimoine ” b”; le capuchon d’extrémité (ohmique) en maillechort “c” ; et le capuchon (Schottky) de cuivre ou d’étain “f”. Chacun de ses éléments est maintenu en place par compression car les souder entre eux diminuait les performances du dispositif.

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 notre 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 1.2eV, 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. Lorsqu’il a mesuré le voltage aux bornes de ces fiches “ratées”, celui-ci était plus élevé que pour les autres fiches. Cove alors mené une étude plus poussée sur les alliages de zinc et d’antimoine qui lui permis de constater que l’alliage zinc d-antimoine à 40-42% était celui dont découlait le plus haut voltage (ZnSb contenant quant à lui 35% de Zinc). Le nouvel alliage découvert accidentellement par Cove, Zn4Sb3, ayant une plus grande bande interdite que son précédent alliage, cela signifiait que 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 : en effet cet alliage convertissait une bien plus grande part du spectre lumineux solaire en électricité.”

George Cove utilisa alors des filtres de verre teintés sur son dispositif et 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.22 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 1.2eV) 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, 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 80. 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.

Un procédé de fabrication simplifié

Le principal attrait du dispositif conçu par Cove est sa simplicité de fabrication. Dans les années 70 et 80, 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.” 23 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. à l’époque, les chercheurs se penchaient sur ce type de cellules au vu de leur faible coût de fabrication comparé aux cellules de silicium.24 25 Pour fabriquer des cellules solaires Schottky, pas 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. 22

Au cours des années 1980 les chercheurs firent de grandes avancées en ce qui concerne la création de jonctions p-n, si bien que les regards se détournèrent peu à peu des alternatives. Mais 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 ». 26 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 ». 27 28 29 30

Un recyclage facilité

Un autre atout de ce type de cellules pourrait bien être leur facilité de recyclage. En effet, les modules à base de silicium ont une structure complexe, où chaque couche de silicium est intercalée entre deux couches de plastique feuilletées protectrices (de l’EVA la plupart du temps - éthylène-acétate de vinyle, obtenu par copolymérisation). Ces couches sont déterminante dans la longévité du module.1 2 3 Au moment de recycler le silicium, qui est le composant le plus précieux d’un panneau solaire, il est nécessaire de retirer ces couches, et les brûler détruirait également le module de silicium : on doit alors faire passer les cellules par une série de procédés chimiques, thermiques et métallurgique afin de pouvoir récupérer le silicium. C’est un processus qui est donc 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 » :c’est à dire que 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 : elle n’avaient pas besoin de ces couches protectrices et ne contenaient pas de métal d’apport. 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 les 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. Reste à savoir si 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. 24

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 était de pouvoir fabriquer des cellules solaires plus simplement avec des méthodes 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, comme l’explique Pesavento :

« Je n’ai accès à suffisamment de chiffres précis en ce qui concerne les paramètres qui mèneraient à cette conclusion (mobilité des porteurs de charge, temps de recombinaison, coefficient d’absorption…) pour pouvoir l’affirmer. 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. 27 31 Les chercheurs 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 %. 26

En prenant le problème autrement, on peut aussi s’interroger sur la légitimité de cette obsession du rendement élevé que l’on rencontre actuellement. 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-tech, alors il faudrait construire plus de panneaux solaires pour produire la même quantité d’énergie, et ainsi les ressources qui auraient été sauvegardées grâce aux méthodes de productions low-tech seraient dépensées pour construire ce plus grand nombre de panneaux, ce qui reviendrait au même. 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, il pourrait être possible de diminuer grandement l’impact écologique de notre production d’énergie en sacrifiant un peu d’efficacité.

Qu’est devenu George Cove?

Si le panneau 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.

Notre 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. Parmi ces entreprises se trouvait la start-up de Cove : the Sun Electric Generator Compagny. 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. 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 sont tous les deux arrêtés pour fraude boursière et passent un an en prison. Par la suite, Cove travailla sur d’autres inventions, mais aucune ne portait sur l’énergie solaire. 32

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 l’un d’eux ? Ou bien encore est ce que sa réputation a été sciemment entachée parce que son générateur d’électricité solaire risquait 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 déloyales 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. 32 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 de Clamond, et avait stoppé le développement de la machine. 33

Les mystères continuent

A ce moment de notre exposé, s’il est tentant d’imaginer George Cove en victime de l’histoire, on a peu d’élément auxquels se référer. Les archives rassemblées par Philip Pesavento recèlent même d’autres mystères, comme le brevet de Cove – déposé en 1905 et sa publication en 1906. Dans celui-ci, notre 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 dans son brevet Cove décrit la manière dont les fiches peuvent convertir la chaleur d’un poêle à bois en électricité, alors que comme nous l’avons vu, ce n’est pas possible avec ce 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 cette « erreur » était volontaire de la part de Cove afin qu’on ne puisse pas copier son brevet de générateur à chaleur et le faire fonctionner ? Je n’en sais pas plus. »

Encore plus étrange, 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. George Cove lui-même a été coupé de la photo et 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. C’est vrai qu’il est totalement inconnu, et quand il arrive que quelqu’un le connaisse c’est pour ses travaux sur les générateurs thermo-électriques, pas photovoltaïques. Si on regarde bien la photo on peut voir que le haut de la colonne de droite a été déplacé là où se tenait Cove, il y a quelque chose d’étrange dans la perspective. »

Kris De Decker

Sources


  1. Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. 

  2. Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. 

  3. Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. 

  4. Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. 

  5. Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. 

  6. Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. 

  7. Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. 

  8. Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. 

  9. Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. 

  10. Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. 

  11. Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. 

  12. Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. 

  13. Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). 

  14. Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. 

  15. Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. 

  16. Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. 

  17. Extrapolating from the performance of the next panel, we can guess that this one had a power output of about 25W and just under 3% efficiency. 

  18. Cove claimed to have built an even larger panel of 9 m2, but no image has survived. It was said to have had a power output of 768 watt at 8% efficiency assuming 100 W/ft2 solar insolation. This array consisted of 8 panels with a total of 14,432 plugs. 

  19. Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. 

  20. Why don’t we use conductors for solar panels? When light hits a conductor surface it mostly reflects, and little or no energy is absorbed. Furthermore, in conductors, the free electrons move randomly, there is no flow of current, no directional capacity. 

  21. Cove was not the first, though. Charles Fritts’ solar cell was also based on a Schottky junction. 

  22. Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). 

  23. Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs 

  24. Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102.. 

  25. Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. 

  26. Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. 

  27. Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. 

  28. Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. 

  29. Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. 

  30. Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. 

  31. Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. 

  32. More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. 

  33. Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. 

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