Ultraléger, performant, pliable : les progrès du photovoltaïque spatial

Daniel Lin­cot. L’effet pho­to­vol­taïque a été décou­vert par Edmond Bec­que­rel en 1839. Les cel­lules solaires au sili­cium ont été inven­tées avant la Seconde Guerre mon­diale par Rus­sell Ohl, et le pre­mier bre­vet dépo­sé en 1941¹. En 1954, la pre­mière cel­lule solaire effi­cace est fabri­quée : elle atteint un ren­de­ment de 6 %. Les États-Unis, qui cher­chaient à ravi­tailler les satel­lites en éner­gie, ont immé­dia­te­ment démar­ré une pro­duc­tion de cel­lules pour les satel­lites. En 1958, Van­guard 1 est le pre­mier satel­lite envoyé dans l’espace avec des cel­lules solaires. Le coût du pho­to­vol­taïque était alors extrê­me­ment  éle­vé [N.D.L.R. : Dans les années 1950, un watt de capa­ci­té solaire pho­to­vol­taïque coûte 1 865 $, ajus­té à l’in­fla­tion et aux prix de 2019. En com­pa­rai­son au prix de 1956, un module solaire d’au­jourd’­hui coû­te­rait 596 800 $², mais abor­dable en com­pa­rai­son avec le coût du lan­ce­ment d’un satel­lite dans l’espace. La pro­duc­tion de plus en plus impor­tante de cel­lules solaires pour le spa­tial enclenche une baisse des coûts, qui se pour­suit aujourd’hui. Sans l’usage du pho­to­vol­taïque dans le spa­tial, la tech­no­lo­gie ne se serait pro­ba­ble­ment pas déve­lop­pée aus­si vite.

Loris Ibar­rart. Le satel­lite est un objet auto­nome, en par­ti­cu­lier du point de vue de l’énergie. Pour mener à bien sa mis­sion – télé­com­mu­ni­ca­tion, mili­taire, obser­va­tion spa­tiale ou ter­restre – il doit pou­voir com­mu­ni­quer et sur­vivre. Ces deux exi­gences requièrent de l’énergie, pour envoyer et rece­voir des infor­ma­tions depuis la Terre, main­te­nir les équi­pe­ments à la bonne tem­pé­ra­ture ou encore main­te­nir l’altitude. Enfin, la mis­sion néces­site aus­si de l’énergie. Si les mis­sions d’observation de la Terre sont peu éner­gi­vores, les télé­com­mu­ni­ca­tions le sont. Au départ, une pile était pla­cée à bord du satel­lite. Sa capa­ci­té de sur­vie ne s’élevait alors que de quelques semaines. Les acteurs du spa­tial ont donc pen­sé à uti­li­ser la seule res­source dis­po­nible dans l’espace : le Soleil.

DL. Le pre­mier satel­lite lan­cé dans l’espace en 1957, Spout­nik, n’a été en mesure de com­mu­ni­quer avec la Terre que durant quelques semaines ! Il est ensuite res­té en orbite autour de la Terre, sans aucun moyen de com­mu­ni­ca­tion avec lui.

 LI. Dès le départ, l’idée d’utiliser les pan­neaux pho­to­vol­taïques sur Terre était pré­sente, mais la tech­no­lo­gie n’était com­pé­ti­tive que pour le sec­teur du spatial.

DL. À par­tir des années 70, de pre­miers besoins ter­restres ont émer­gé : équi­pe­ment des phares et balises dans les zones iso­lées, moyens de com­mu­ni­ca­tion dans des lieux inac­ces­sibles ou encore pro­tec­tion catho­dique des conduits de pétrole pour limi­ter leur oxy­da­tion. Ces usages très spé­ci­fiques tolé­raient des prix éle­vés. Puis le coût des cel­lules a com­men­cé à bais­ser, notam­ment à la suite du choc pétro­lier de 1973 qui a conduit à une aug­men­ta­tion de la pro­duc­tion, et donc une baisse des coûts par effet d’échelle.

LI. L’exigence du spa­tial reste la même : pro­duire un maxi­mum d’énergie à bord pour une masse et un volume les plus conte­nus pos­sible. La plu­part des satel­lites en orbite autour de la Terre sont équi­pés de pan­neaux pho­to­vol­taïques. Les satel­lites de télé­com ont la plus grande capa­ci­té de pro­duc­tion, elle peut grim­per jusqu’à une tren­taine de kW, soit une sur­face de cel­lules solaires d’environ 100 m². Seules quelques mis­sions ne peuvent pas repo­ser entiè­re­ment sur la res­source solaire : les sondes envoyées dans l’espace loin­tain ou encore les rovers [N.D.L.R. : les « astro­mo­biles », ces véhi­cules conçus pour explo­rer la sur­face d’un corps céleste]. Elles embarquent un cœur nucléaire, une sorte de pile à radioi­so­topes. Cette source d’énergie est plus coû­teuse et contrai­gnante que le photovoltaïque.

DL. Le pho­to­vol­taïque a beau­coup pro­gres­sé, notam­ment ses ren­de­ments, et demeure la source d’énergie spa­tiale la plus com­pé­ti­tive. Les ren­de­ments des cel­lules spé­ciales uti­li­sées (à mul­ti jonc­tions) peuvent atteindre 35 %. Un ren­de­ment record de 47 % a été atteint en labo­ra­toire. En com­pa­rai­son, ceux des cel­lules ter­restres au sili­cium s’élèvent jusqu’à 25 %.

DL. Le ren­de­ment théo­rique de la conver­sion des pho­tons (par­ti­cules de lumière) en élec­tri­ci­té s’élève à 85 %. La recherche est très active sur ce sujet et c’est une voie de pro­gres­sion for­mi­dable pour le ter­restre. Enfin, le spa­tial requiert de plus en plus des cel­lules très légères pour limi­ter les coûts du lan­ce­ment et faci­li­ter leur déploie­ment. Alors que les pan­neaux pho­to­vol­taïques ter­restres pèsent en moyenne 25 kg par m², nous tra­vaillons à atteindre un poids de 200 g par m². C’est un chan­ge­ment de para­digme : le pho­to­vol­taïque devient ultra léger, per­for­mant et pliable. À Terre, cela ouvre le champ des pos­sibles : on ima­gine par exemple un rideau solaire qui pour­rait se déployer sur les façades, les toi­tures ou en aérien. On pour­rait aus­si déployer tem­po­rai­re­ment ces rideaux sur les champs après la récolte pour sto­cker de l’électricité. Nous tra­vaillons en étroite col­la­bo­ra­tion avec l’Institut pho­to­vol­taïque d’Ile-de-France et le labo­ra­toire de phy­sique des inter­faces et couches minces de l’École poly­tech­nique (IP Paris), spé­cia­listes de ces sujets.

LI. Nous sommes aus­si à un tour­nant pour le pho­to­vol­taïque spa­tial, avec un retour de la Terre vers l’espace.

LI. Depuis envi­ron 10 ans, on observe une appé­tence du spa­tial pour les tech­no­lo­gies ter­restres. En cause ? L’essor des constel­la­tions de satel­lites, pour les­quelles le modèle éco­no­mique du spa­tial n’est plus com­pa­tible. Les exi­gences sont ici dif­fé­rentes : une capa­ci­té de pro­duc­tion éle­vée, un coût plus faible et des per­for­mances moindres puisque la redon­dance est assu­rée par le nombre impor­tant de satel­lites. Aujourd’hui, le coût des cel­lules pour le spa­tial s’élève à envi­ron 300 € par watt, contre 10–20 cen­times d’euros pour le ter­restre. On peut ima­gi­ner qu’un com­pro­mis émerge entre la pro­duc­tion de masse pour le ter­restre et le tra­vail d’orfèvre pour le spa­tial, même si l’avenir est incer­tain. L’enjeu est de modi­fier les cel­lules ter­restres pour qu’elles fonc­tionnent le plus long­temps pos­sible dans l’espace, tout en modi­fiant le moins pos­sible les chaines indus­trielles existantes.

LI. Non, l’essor des constel­la­tions de satel­lites ne tue­ra pas les filières his­to­riques du pan­neau solaire spa­tial. Les télé­com­mu­ni­ca­tions, l’observation et la science conti­nue­ront à avoir besoin des pro­cé­dés déve­lop­pés spé­ci­fi­que­ment pour le spa­tial. Les fabri­cants n’ont jamais enre­gis­tré autant de demandes qu’aujourd’hui.

Propos recueillis par Anaïs Marechal