Il n’y a en réalité que deux finalités possibles pour la production d’énergie humaine, et ce sont toutes deux des fusions. Soit nous trouvons un moyen de créer de minuscules réactions de fusion contrôlées ici sur Terre (énergie de fusion), soit nous trouvons un moyen de collecter utilement une bonne partie de l’énergie déjà libérée par l’énorme réacteur de fusion que notre système solaire a construit (énergie solaire).

Ce qui est bien avec l’option solaire, c’est qu’elle peut être mise en place progressivement, nous donnant une utilité partielle tout en se rapprochant de plus en plus du point de basculement, alors qu’elle pourrait fournir la majorité de nos besoins en électricité. Mais qu’est-ce qu’une cellule solaire, l’élément central de l’énergie solaire, et comment fonctionne-t-elle ?

Une cellule solaire, également appelée cellule photovoltaïque, est définie comme tout dispositif capable de capter une partie de l’énergie d’un photon de lumière, et de transmettre cette énergie à un dispositif ou à un support de stockage sous forme d’électricité. Toute l’énergie solaire n’est pas de nature photovoltaïque, car certaines technologies solaires captent directement la chaleur des photons absorbés, plutôt que leur énergie. Néanmoins, avec une définition aussi générale, le terme « photovoltaïque » englobe une grande variété de technologies différentes.

Tous ont cependant un point commun : ils utilisent l’énergie d’un photon pour exciter les électrons dans le matériau semi-conducteur de la cellule et les faire passer d’un niveau d’énergie non conducteur à un niveau conducteur. Ce qui rend ce complexe, c’est que tous les photons ne sont pas créés égaux.

La lumière arrive comme un amalgame inutile de longueurs d’onde et de niveaux d’énergie, et aucun matériau semi-conducteur n’est capable de les absorber tous correctement. Cela signifie que pour augmenter l’efficacité de la capture du rayonnement solaire, nous devons fabriquer des cellules hybrides (« multi-jonction ») qui utilisent plus d’un matériau absorbant.

Chaque matériau semi-conducteur possède une « bande interdite » caractéristique ou un spectre d’énergie des électrons que le matériau ne peut tout simplement pas respecter. Cet écart se situe entre l’état excité et non excité de l’électron.

Un électron à l’état de repos ne peut être excité pour devenir utile que s’il reçoit suffisamment d’énergie en excès pour sauter par-dessus cette bande interdite. Le silicium a une bande interdite agréable et réalisable, qui peut être comblée par un seul photon d’énergie supplémentaire. Cela permet au silicium d’être bien allumé (conducteur) ou éteint (non conducteur), selon la position de ses électrons potentiellement conducteurs.

Un matériau comme le graphène pourrait, dans un sens, constituer une bien meilleure base pour une cellule photovoltaïque que le silicium en raison de son incroyable efficacité électrique et de la possibilité d’être beaucoup plus dense sur les panneaux eux-mêmes : le gros problème revient à la bande interdite et à l’incapacité du graphène à être correctement excité par la puissance d’un photon entrant.

Certains dispositifs complexes en graphène, comme les transistors en graphène bicouche à double grille, mais les problèmes de fabrication de ces dispositifs compensent les gains potentiels, du moins pour l’instant.

Les véritables progrès devront attendre la découverte d’un super-matériau suffisamment abordable qui puisse fournir une bande interdite utile tout en surpassant largement les propriétés mécaniques et électroniques du silicium. En attendant, des solutions provisoires ont réussi à augmenter considérablement les capacités fonctionnelles des panneaux à base de silicium.

Les revêtements anti-reflets augmentent la quantité de lumière absorbée globalement, tandis que le « dopage » chimique des transistors eux-mêmes peut améliorer les capacités optiques du silicium. Certaines installations solaires utilisent des champs de miroirs pour concentrer autant de rayonnement solaire que possible sur quelques cellules de grande capacité au centre.

Beaucoup sont maintenant conçues comme des dispositifs de capture de la lumière, de sorte que la lumière qui entre est renvoyée en interne, pour toujours, jusqu’à ce qu’elle soit finalement absorbée. L’automne dernier, des chercheurs ont même mis au point une cellule solaire entièrement transparente.

La chaleur peut également constituer une part de plus en plus importante des installations solaires, puisque tout rayonnement non absorbé électroniquement sera au moins partiellement absorbé sous forme de chaleur brute. L’utilisation de cette chaleur pour faire bouillir de l’eau, ou même chauffer directement les maisons, pourrait aider l’énergie solaire civile à améliorer son efficacité globale, même si les super-matériaux électriques continuent de jouer un rôle de rattrapage.

D’autres concepts encore, comme l’énergie solaire spatiale, offrent un certain potentiel en capturant la lumière avant qu’elle ne soit filtrée par l’atmosphère terrestre ; le Japon veut par exemple produire un gigawatt d’énergie solaire dans l’espace.

Le problème est de faire descendre l’énergie à la surface, où elle pourrait être utile aux êtres humains. L’initiative japonaise cherche à utiliser des lasers à cette fin, mais rien ne dit que le contournement de l’atmosphère sera une stratégie gagnante, dans l’ensemble.

Les cellules solaires ont été paralysées par plusieurs décennies de manchettes prématurées annonçant une telle stratégie globale gagnante et la domination prochaine de l’énergie solaire. En réalité, il est presque certain qu’il n’y aura jamais un tel moment d’eurêka en ingénierie.

La technologie des cellules solaires sera modifiée et mise à niveau jusqu’à ce qu’elle dépasse un seuil abstrait basé sur le caractère abordable, l’état de la technologie de stockage et de transmission de l’énergie et le niveau annuel local d’ensoleillement.

Tous les types d’énergie solaire seront importants pour toute tentative réelle de déploiement de l’énergie verte à l’échelle nationale. À moins que la fusion ne fasse de grands bonds en avant ou que l’énergie nucléaire classique ne devienne beaucoup plus populaire, vous pouvez parier que l’énergie solaire occupera une place importante dans notre avenir énergétique.