George Cove, pionnier oublié de l’énergie solaire, 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 moins complexes et plus durables.

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).
=> donc le prix a été divisé par 150 alors que le rendement a été multiplié par 4.

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.

Comment connecter une installation solaire avec une batterie ?

Lorsque vous construisez un système d’énergie solaire avec stockage par batterie, vous avez besoin d’un régulateur de charge solaire et d’une batterie. La plupart des installations solaires hors réseau fonctionnent avec des batteries au plomb. Pour les systèmes solaires mobiles dotés de batteries, le lithium-ion est l’option la plus pratique. Sinon, les batteries au plomb restent l’option la plus sûre et la plus abordable. Elles nécessitent des contrôles de gestion de la batterie moins complexes que les batteries lithium-ion. Il existe de nombreux autres types de batteries moins courants, sur lesquels je ne m’étendrai pas ici.
Régulateur de charge solaire

Ne connectez jamais un panneau solaire directement à une batterie. Si vous souhaitez stocker l’énergie solaire pour une utilisation ultérieure, installez un régulateur de charge solaire entre les deux. Un régulateur de charge solaire régule la tension de sortie du panneau solaire en fonction de la tension dont la batterie a besoin au cours de ses différentes phases de charge. Il fournit également une sortie stable de 12 V à partir de la batterie et arrête le système si la tension tombe en dessous d’un niveau déterminé. La plupart des régulateurs de charge solaire proposent un menu permettant de régler ces valeurs. Certains sont dotés d’un deuxième écran plus élaboré.

Il existe des centaines de types différents de régulateurs de charge solaire. Pour les systèmes solaires à petite échelle, mon expérience est que tout est possible. Les régulateurs de charge solaire les moins chers conviennent parfaitement, mais ils doivent fonctionner à la bonne tension et avoir une capacité suffisante (voir comment dimensionner un système solaire). Les régulateurs de charge solaire plus coûteux (comme les MPPTs) ne valent pas la peine pour les systèmes à petite échelle. Si votre installation utilise des batteries lithium-ion, vous aurez besoin d’un autre régulateur de charge solaire, plus onéreux. Si vous êtes doué en électronique, vous pouvez construire votre propre régulateur de charge solaire.

https://www.chelseagreen.com/product/do-it-yourself-12-volt-solar-power-3rd-edition/

https://libre.solar/

Batteries

Le type de batterie dont vous avez besoin pour une installation solaire de petite taille est une batterie au plomb étanche (sealed lead-acid battery en anglais). Si vous utilisez un panneau solaire de 12 V, vous avez besoin d’une batterie de 12 V. Si vous utilisez un panneau solaire de 24 V, vous avez besoin d’une batterie de 24 V. Manipulez bien les batteries au plomb, car vous risquez de les abîmer rapidement. Le plus important est que leur tension ne baisse pas trop et que vous les rechargiez complètement régulièrement. Ne laissez jamais une batterie au plomb sans charge pendant une période prolongée. Gardez-la connectée à un panneau solaire, y compris lorsque vous n’êtes pas chez vous.

Manipulez les batteries au plomb avec précaution, car vous risquez de les abîmer rapidement.

Lorsqu’il est couplé à un panneau solaire et à une batterie, le régulateur de charge déconnecte la batterie lorsque sa tension descend en dessous d’un niveau spécifié, généralement 12V. Vous pouvez ajuster cette valeur dans le menu. Vous pouvez descendre jusqu’à 11V, au prix d’une durée de vie plus courte de la batterie. Si vous souhaitez prolonger la durée de vie de la batterie, vous pouvez régler la valeur sur 12,2 ou 12,5 V, par exemple. Le prix à payer est une capacité de stockage d’énergie plus faible.

Ne placez pas une batterie au plomb dans un conteneur fermé. Placez un fusible au niveau du cable positif entre la batterie et le régulateur de charge solaire, le plus près possible de la batterie. Surveillez la tension à l’aide d’un voltmètre numérique. Si vous souhaitez en savoir plus sur les batteries, l’Université des batteries (Battery University) est un bon point de départ.

Comment connecter une installation solaire sans batterie ?

Dans une installation solaire directe, il n’est pas nécessaire d’avoir une batterie ou un régulateur de charge. Le panneau solaire est soit directement connecté à l’appareil alimenté, soit relié à un convertisseur de tension en courant continu (DC-DC converter en anglais). Certains appareils à courant continu peuvent fonctionner avec des tensions fluctuantes, par exemple les ventilateurs, les pompes et d’autres appareils dotés d’un moteur à courant continu. Le moteur tournera simplement plus ou moins vite en fonction de la tension. Les résistances chauffantes peuvent également fonctionner à des tensions différentes. Cependant, d’autres appareils - comme tous les équipements électroniques - ont besoin d’une tension d’entrée précise et constante. Un convertisseur CC-CC (abaisseur ou élévateur) est essentiel pour fournir cette tension d’entrée stable.

Convertisseur de tension (CC-CC)

Un convertisseur de tension CC-CC est un module électronique qui convertit la tension d’entrée d’un panneau solaire (ou d’une autre source d’énergie) en une tension de sortie stable pour un appareil, par exemple 5V pour les gadgets USB et 12 à 20V pour les outils électriques. Les convertisseurs abaisseurs “step down” ou “buck” diminuent la tension de sortie par rapport à la tension d’entrée. Les convertisseurs élévateurs “boost”, eux, augmentent la tension. Un convertisseur de tension introduit lui aussi des pertes d’énergie, mais elles sont inférieures aux pertes des batteries, des onduleurs et des adaptateurs CA/CC.

Pour les installations solaires sans batterie, il faut savoir que les panneaux solaires 12 V produisent plus que 12 V. En plein soleil, la tension de sortie sera plus proche de 20V. Il en va de même pour les panneaux solaires de 24V, qui produisent en fait une tension d’environ 32V. L’indication 12V ou 24V se rapporte uniquement au type de batterie pour lequel vous êtes censé l’utiliser. Par conséquent, si vous souhaitez faire fonctionner des appareils en 12 V directement sur un panneau solaire, vous avez besoin d’un module CC-CC qui convertit la tension d’entrée de 20 V en une sortie constante de 12 V (à moins que l’appareil ne puisse fonctionner sur des tensions différentes). Si vous voulez faire fonctionner des appareils de 5V, vous avez besoin d’un module qui a une sortie constante de 5V.