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Vers une cellule photovoltaïque de troisième génération…
L’énergie photovoltaïque (transformation de l’énergie solaire en électricité) est porteuse de grands espoirs. Mais même si des particuliers équipent leurs maisons en panneaux solaires, son coût freine encore sa généralisation. Cas emblématique pour les physiciens du Laboratoire PHASE (Physique et applications des semi-conducteurs), qui décryptent les propriétés physico-chimiques du silicium et s’appuient sur les nanotechnologies pour créer la cellule solaire de troisième génération.
Et si nous avions des routes peintes avec une peinture photovoltaïque, les problèmes d’énergie seraient définitivement réglés, ce rêve est pour demain…

Une approche consiste à utiliser un film mince de silicium (environ 10 micromètres) déposé sur un substrat moins cher, des plaquettes de verre ou de céramique. Cette deuxième génération de cellule a aussi ses défauts, que les physiciens corrigent en travaillant à la maîtrise du matériau lui-même.

À l’échelle nanométrique, les propriétés des matériaux changent. Les physiciens tentent d’en tirer profit, par exemple en introduisant des nanoparticules de silicium ou de germanium (5 nanomètres de diamètre) dans une fine couche de verre placée à la surface de la cellule pour que la lumière solaire soit mieux absorbée.

La compagnie Nanosolar, appuyée financièrement par les fondateurs de Google, prévoit de construire dans la Silicon Valley la plus grande usine de fabrication de cellules solaires au monde. Ces cellules ne seront pas au silicium mais exploiteront la technologie cuivre-indium-sélénium (CIS) qui n’utilise qu’une couche active extrêmement fine, une caractéristique qui rend ces cellules peu gourmandes en matériaux de fabrication et facilement adaptables aux supports flexibles. C’est un procédé novateur (1) issu de la nanotechnologie qui a permis de fortement rentabiliser la production, une rentabilité qui aura pour conséquence de faire baisser le prix du kWh solaire. Cette percée est un signe révélateur du potentiel industriel des nanotechnologies dans le domaine énergétique, il préfigure probablement une nouvelle ère pour notre gestion de l’énergie.

Il ne fait plus guère de doutes aujourd’hui que l’utilisation outrancière de l’énergie fossile est devenue une menace imminente pour l’équilibre de notre biosphère. Pas de doute non plus sur la nature de la «délivrance» qui viendra d’une avancée technologique déterminante capable de produire une énergie propre et sûre à moindre coût. Mais de quelle nature sera cette innovation?

En fait, la révolution technologique la plus prometteuse dans un futur proche n’appartient pas au domaine des grosses ou moyennes structures mais plus probablement à celui des nanostructures. La nanotechnologie (associée à la chimie, voire à la biologie) connaît en effet une telle progression qu’elle pourrait bien dépasser celle de la physique lourde et aboutir prochainement à des microcomposants (utilisables en quantités astronomiques) capables de produire et de stocker l’énergie solaire aussi efficacement que des cellules biologiques spécialisées. L’utilisation des nanostructures permettrait ainsi une grande flexibilité et une grande économie de matériaux car une simple couche d’un micromètre d’éléments actifs est théoriquement suffisante. Avec son projet d’usine, la compagnie Nanosolar vient de montrer qu’il est désormais tout à fait possible de trouver, dans ce domaine, des solutions technologiques associant performance et coût de production, dès lors le marché des cellules photovoltaïques pourrait bien connaître prochainement une explosion semblable à celle qui secoua en son temps la microinformatique.

Vers quoi pourrait nous mener cette révolution? Si le nombre d’unités individuelles de production d’électricité solaire parvient un jour à égaler ou à dépasser celui des micro-ordinateurs, et si nous trouvons des solutions viables pour le stockage de cette énergie, on pourrait s’acheminer vers une transformation complète de notre gestion énergétique: d’une part notre consommation sera à 100% électrique, et d’autre part notre réseau passera d’un système centralisé vers un système décentralisé, c’est-à-dire qu’à l’instar de l’information aujourd’hui, l’électricité pourra s’échanger et se réguler via un réseau électrique de type Internet.

Notons que la nature, qui a la réputation d’être parfaitement optimisée, gère son énergie de façon similaire: l’énergie du soleil est en effet convertie en énergie chimique par photosynthèse dans une infinité de petits générateurs individuels (les plantes, dont les feuilles sont des sortes de panneaux solaires), cette énergie chimique est ensuite stockée en partie dans la plante, sous forme de glucides, et en partie dans l’atmosphère sous forme de molécules d’oxygène afin de la rendre accessible à tous les êtres vivants (réseau aérien).

Mais avant d’en arriver là, de nombreux progrès restent encore à faire. Pour y parvenir, rien de tel qu’une recherche dynamique et inventive comme celle qui anime actuellement le petit monde de la nanotechnologie. Un peu partout, des chercheurs parviennent en effet à trouver des solutions de stockage et de production d’énergie toujours plus efficaces et originales. Sur le stockage on peut citer par exemple l’utilisation étonnante de bactéries comme catalyseur dans les piles à hydrogène (2), ou cette innovation encore plus prometteuse qui consiste à utiliser des nanotubes pour créer des supercondensateurs (3). Pour la production d’électricité solaire, citons le cas remarquable de cette «peinture photovoltaïque» contenant des polymères (4) ou encore ces cellules solaires fonctionnant grâce à des protéines d’épinard (5). Ne doutons pas que l’émergence de solutions économiquement viables ne soit plus qu’une question de temps…

Reste que pour qu’une telle entreprise réussisse, il sera nécessaire de moderniser profondément l’industrie du bâtiment: elle devra notamment s’adapter pour intégrer complètement les nouveaux matériaux dans ses structures, que ce soit dans le domaine de la production d’électricité photovoltaïque (tuiles, vitrage, peinture…) ou dans celui du stockage (pile à combustible ou supercondensateurs intégrés dans les murs et les planchers des bâtiments).

Si la quantité d’énergie ainsi collectée n’est toujours pas suffisante, et dans l’hypothèse qu’on aboutisse effectivement un jour à des matériaux photovoltaïques aussi malléables qu’une peinture, il faudrait étendre cette initiative à toutes les infrastructures de la voirie et, à la limite, pourquoi ne pas imaginer l’asphalte photovoltaïque? Les routes de France représentent une surface de l’ordre de 4 milliards de m2, en termes d’énergie solaire cela représente en pratique plus de 150kWh/jour et par habitant, soit plus de trois fois nos besoins énergétiques… De plus un tel système ferait d’une pierre deux coups puisque le réseau électrique et le réseau routier se confondraient (sans parler du fait que la surface d’un réseau routier est proportionnelle aux besoins énergétiques d’un pays).

sources : http://www2.cnrs.fr/ / http://www.agoravox.fr/

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