Soutenance mémoire
Les cellules solaires
Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque
La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d’avantages et d’inconvénients .
Les avantages
➠Une haute fiabilité ; les modules sont garantis pendant 25 ans par la plupart des constructeurs.
➠Elle ne comporte pas de pièces mobiles, qui la rendent particulièrement appropriée aux régions isolées. C’est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.
➠Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers.
➠Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.
Les inconvénients
Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients [1].
➠La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements d’un coût élevé.
➠L’occupation de l’espace pour les installations de grandes dimensions.
➠Le rendement réel de conversion d’un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28 %).
➠Enfin, lorsque le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru.
Structure
La structure commence par une couche de verre sodocalcique qui est utilisée comme substrat. La couche de molybdène (Mo) est déposée sur le substrat par la technique d’évaporation par faisceau d’électrons. Suivi d’une couche absorbante CZTS de 2.5 µm d’épaisseur qui est utilisée pour absorber la plupart des photons incidents afin de produire des paires électrontrou. La couche tampon CdS d’épaisseur 0.05 µm dopée est déposée sur la couche absorbante pour assurer l’alignement de la bande avec l’absorbeur CZTS. Par la suite, une couche fenêtre d’oxyde de zinc (ZnO) de 0.12 µm d’épaisseur, moins coûteuse et très disponible, est utilisée pour améliorer la diffusion de la lumière. Il permet essentiellement l’utilisation efficace de la lumière du soleil en maximisant le nombre de photons incidents dans les couches tampons et absorbantes [3]. La variante la plus courante est le ZnO dopé Al (AZO) qui est très conducteur et très transparent dans la région spectrale visible (VIS) [4,5]. L’utilisation de la couche de contact AZO réduit la quantité de lumière pouvant être utilisée pour une conversion d’énergie efficace dans les cellules solaires à film mince à base d’absorbeur Cu2ZnSnS4 à faible bande interdite, par exemple ≤ 1,2 eV.
Semi-conducteurs intrinsèques
Les semi-conducteurs sont des matériaux ayant des propriétés intermédiaires entre les isolants et les conducteurs. Il a des corps qui ont une résistivité intermédiaire comprise entre 1.10³ et 1. 10⁻⁶ S/cm, on les appelle des semi-conducteurs. Dans les semi-conducteurs, le gap assez faible permet à des porteurs de passer dans la bande de conduction simplement grâce à leur énergie d’agitation thermique, ainsi le semiconducteur « intrinsèque » en tant que mauvais conducteur ou mauvais isolant a lui une conductivité qui augmente avec la température. En effet un semi-conducteur intrinsèque est un semi-conducteur non dopé, c’est à dire qu’il contient peu d’impuretés (atomes étrangers) en comparaison avec la quantité de trous et d’électrons générés thermiquement.
Semi-conducteurs extrinsèques ou dopé
La conductivité électrique des semi-conducteurs augmente par addition d’impuretés dans sa structure. Le semi-conducteur le plus courant est à base de silicium Si, un élément chimique le plus souvent associé à l’oxygène dans la silice SiO2, donc très abondant dans la nature.
Chaque Si comporte 4 électrons périphériques, appelés électrons de valence, et chacun de ses quatre voisins apporte un électron à mettre en commun pour créer quatre liaisons avec ses plus proches voisins. Il y a donc huit électrons externes autour de chaque Si (configuration stable). Le principe est ensuite d’utiliser les éléments voisins dans la classification périodique, comme le phosphore P et le bore B, qui ont respectivement un électron périphérique en plus et un électron périphérique en moins que le silicium.
Semi-conducteur de type N
Pour un dopage de type N, il faut augmenter la densité en électrons dans le semiconducteur intrinsèque. Dans le cas du silicium Si, ou du germanium Ge, qui sont tétravalents, on ajoute des atomes d’un élément pentavalent, comme le phosphore P, l’arsenic As ou l’antimoine Sb. Ces atomes, insérés dans le réseau cristallin, formeront quatre liaisons covalentes avec quatre atomes de silicium, le cinquième électron de la couche de valence restant libre. Cet électron qui n’est que très faiblement lié à l’atome va se placer sur un niveau énergétique plus près de la bande de conduction. Il lui suffira d’acquérir une faible énergie supplémentaire (ΔE ≈ 0,01 eV) pour accéder à cette bande [8]. De ce fait, le matériau possède une meilleure conductivité électrique. Ces électrons libres ne créent pas de trous dans le réseau, le nombre total d’électrons est donc supérieur au nombre de trous.
Semi-conducteur de type P
Pour ce dopage il faut augmenter la densité en trous dans le semi-conducteur intrinsèque. Dans le cas du silicium Si, ou du germanium Ge, qui possèdent quatre électrons de valence, on ajoute des éléments trivalents comme le gallium Ga, le bore B, l’aluminium Al ou l’indium In. Il leur manque un électron pour compléter les quatre liaisons covalentes avec les atomes de silicium voisins. Un trou est créé dans la structure. Ce trou crée un nouveau niveau d’énergie voisin de la bande de valence (ΔE ≈ 0,05 eV), accessible plus facilement aux électrons. Il peut être rempli par un électron d’un autre atome de silicium, qui à son tour libère un trou et ainsi de suite . Le matériau devient ainsi conducteur de l’électricité. Comme au final le nombre de trous dépasse le nombre d’électrons, les trous sont donc les porteurs majoritaires et les électrons les porteurs minoritaires.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES CELLULES SOLAIRES A BASE DE CZTS
I.1.Introduction
I.2.Effet photovoltaïque
I.3.Les cellules solaires
I.3.1. Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque
I.3.2. Structure
I.3.3. Semi-conducteurs intrinsèques
I.3.4. Semi-conducteurs extrinsèques ou dopé
I.4.Principe de Fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque PV
I.5.Les différentes filières photovoltaïques
I.5.1. Cellules de 1ére génération
I.5.2. Cellules de 2ème génération : Couches minces (Thin film) ou silicium amorphe
I.5.3. Cellules de 3éme génération
I.6.Structure d’une cellule à base du substrat (SGL)/Mo/CZTS/CdS/ZnO : Al
I.6.1. Le Substrat
I.6.2. Le molybdène (Mo)
I.6.3. La couche absorbante
I.7.Couche tampon
I.8.Couche Fenêtre
CHAPITRE II : METHODE DE DEPOT
I.9.Introduction
I.10.Méthode de sulfuration sol-gel
I.10.1.Concept de la méthode de sulfuration sol-gel
I.10.2.Solution de revêtement
I.11.Les avantages et les inconvénients du sol gel
I.11.1.Les avantages
I.11.2.Les inconvénients
CHAPITRE III : RESULTATS ET DISCUSSIONS
I.12.Introduction
I.13.Etude expérimentale
I.14.Simulation Numérique
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
