Soutenance mémoire
Le rayonnement solaire
Distant de 150 millions de km de la Terre, le Soleil constitue une source de lumière inépuisable dans notre planète. Comme composants, cette étoile est constituée d’hélium et d’hydrogène, avec des proportions respectives de 15% et de 85%. Le flot continu de chaleur provoque une réaction de fusion nucléaire pendant laquelle l’hydrogène est transformé en hélium [4]. Cette réaction de fusion émet des rayonnements de spectre se propageant avec une vitesse de 300000km.s-1 dans l’espace, sous forme de lumière, de chaleur et de température. En traversant l’atmosphère terrestre, certaines parties de ce rayonnement sont absorbées par celui-ci.
Généralement, on distingue 2 sortes de rayonnement :
– le rayonnement direct, considéré comme étant le rayonnement en provenance directe du Soleil, sans avoir être dispersé dans l’atmosphère ;
– le rayonnement indirect qui est le rayonnement absorbé par l’atmosphère .
Des recherches à propos du rayonnement solaire effectuées par Albert Einstein ont pour conséquence la découverte de l’ « effet photoélectrique », qui prétend que la lumière contient des particules nommées « photons » dont l’énergie est donnée par la relation suivante :
E = hc / λ
h : Constante de Planck
c : vitesse de la lumière
λ: longueur d’onde .
Conversion de l’énergie solaire
L’énergie solaire thermodynamique
Cette technologie solaire consiste à utiliser des miroirs placés à 3 ou 4 mètres du sol, capables de concentrer l’énergie solaire dans un tube renfermant un fluide caloporteur qui chauffe jusqu’à 500°C. Ce phénomène est suivi d’un transfert de la chaleur obtenue vers un circuit d’eau qui produit de la vapeur. La vapeur produite va alimenter une turbine couplée avec un alternateur producteur d’électricité .
Le solaire thermique
Pour cette technologie, le principe est d’exposer au soleil des panneaux renfermant un fluide. L’énergie solaire est transformée en énergie thermique grâce aux rayonnements solaires qui sont considérés comme source de chaleur. L’énergie peut être convertie directement (cas du chauffage d’eau sanitaire) ou indirectement en utilisant des générateurs convertissant l’énergie thermique produite en électricité. Un panneau solaire thermique comporte un corps opaque pour l’absorption des rayonnements solaires, un système de refroidissement par le fluide caloporteur, un isolant thermique (au niveau des faces non exposées aux rayonnements solaires) et une couverture transparente située sur la face exposée et permettant l’existence d’un effet de serre dans le capteur .
L’énergie solaire photovoltaïque
Dans ce type d’énergie solaire, le soleil est utilisé comme source de lumière. Cette technologie consiste donc à transformer la lumière du soleil en électricité. Le système d’énergie photovoltaïque est basé sur l’utilisation de cellule photovoltaïque. L’énergie contenue dans la lumière solaire, appelée également « photon », est transmise aux électrons contenus dans le semi-conducteur constituant la cellule photovoltaïque. L’utilisation de l’énergie solaire est très avantageuse parce qu’elle n’émet ni pollution ni bruit et sa transformation ne demande pas d’action mécanique ou de combustible .
Une cellule photovoltaïque est généralement constituée de semi-conducteur dont le plus fréquent est le Silicium.
Silicium
Extraction industrielle du silicium
La plupart des cellules photovoltaïques, unité fondamentale dans la production de l’énergie solaire, est fabriquée à partir du Silicium. Ce dernier est rencontré dans le sable et dans le quartz sous forme de silice (SiO2). Le Silicium est obtenu suivant les processus industriels suivants :
– Production de « Silicium métallurgique », pur à 98%, à partir de morceaux de quartz
– Transformation du Silicium métallurgique en composé chimique distillé, suivi d’une retransformation en Silicium : on obtient ainsi le silicium de qualité photovoltaïque (pur à 99,999%).
– Production de lingots de Silicium (barres de section carrée ou ronde) à partir du Silicium de qualité photovoltaïque
– En sciant ces lingots, on obtient des « wafers » qui sont des fines plaques de 200 micromètres d’épaisseur.
– Obtention du Silicium semi-conducteur après traitement d’enrichissement des éléments dopants [10]. La figure suivant montre les étapes de transformation du silicium jusqu’à l’obtention du système photovoltaïque.
Propriétés du Silicium
En 1823, le Silicium a été découvert par le Suédois Jöns Jacob Berzelius. C’est un élément chimique ayant le symbole « Si » et son numéro atomique est 14. Il appartient à la famille des Métalloïdes. Le Silicium a une structure cristalline du type Diamant : un cristal est défini comme étant un motif répété plusieurs fois selon un réseau régulier. Le plus petit élément du réseau permettant la recomposition de l’empilement est désigné sous le nom de « maille élémentaire ». Il a été choisi pour la réalisation des cellules photovoltaïques grâce à cette structure cristalline spécifique : il possède 4 électrons sur sa couche périphérique. Ainsi, dans un cristal de Silicium, chaque atome de Silicium est relié à 4 atomes voisins par liaisons covalentes grâce au fait que les 4 électrons de la couche périphérique participent tous aux liaisons. Concernant la maille, elle est cubique.
Les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des corps ayant une résistivité comprise entre celle des conducteurs et celle des isolants. Pour l’atome de Silicium, les quatre électrons de la couche externe associent avec les quatre électrons voisins, cet atome n’est pas stable. En effet, le Silicium utilisé dans la fabrication des cellules photovoltaïques doit être un Silicium semiconducteur.
Dopage
Pour améliorer la conductivité d’un matériau semi-conducteur (ici, le Silicium), on effectue un dopage. Ce dernier consiste à ajouter d’autres atomes aux cristaux de Silicium. Ainsi, en remplaçant un atome de Silicium dans un semi-conducteur par un autre atome, le semi-conducteur est dit dopé. Un semi-conducteur peut être dopé de type N ou de type P :
– Si un atome de Silicium est remplacé par un atome ayant 5 électrons périphériques (exemple : atome de Phosphore), le dopage est dit de type N, comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires [11]. De ce fait, un électron ne va pas participer aux liaisons, il peut donc se déplacer. Ce qui entraine une conduction par un électron.
– Par contre, si un atome de Silicium est remplacé par un atome possédant 3 électrons périphériques (exemple : atome de Bore), le dopage est dit de type P, comme positif, car il y a un déficit d’électron. Sur-ce, un électron manque dans la réalisation de toutes les liaisons. Par conséquent, un électron peut venir combler ce manque. Ce qui crée une conduction par un trou .
En combinant les deux couches semi-conductrices N et P, on obtient une jonction P-N.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : GENERALITES
I. Le rayonnement solaire
II. Conversion de l’énergie solaire
II.1. L’énergie solaire thermodynamique
II.2. Le solaire thermique
II.3. L’énergie solaire photovoltaïque
II.3.1. Silicium
II.3.1.1. Extraction industrielle du silicium
II.3.1.2. Propriétés du Silicium
II. 3.2. Les semi-conducteurs
II.3.3. Dopage
III. Les Cellules Photovoltaïques
III.1. Définition
III.2. Historique
III.3. Les éléments constitutifs d’une cellule photovoltaïque
III.4. Les différents types de cellules photovoltaïques
III.4.1. La cellule photovoltaïque à Silicium cristallin
III.4.1.1. Le Silicium monocristallin
III.4.1.2. Le Silicium polycristallin
III.4.2. Les couches minces
III.4.3. Les cellules organiques
II.4.3.1. Echange gazeux chlorophyllien
II.4.3.2. Mécanisme de fonctionnement de la cellule de Gratzel
IV. L’énergie solaire à Madagascar
IV.1. Exploitation liée à l’énergie solaire à Madagascar
Chapitre II : METHODOLOGIE
I. Matériels utilisés
I.1. Des solutions et solvants chimiques
I.2. Autres matériels
I.3. Des matériels d’enregistrement
II. Les méthodes utilisées
II.1. FABRICATION DE LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE
II.1.1. Première étape : nettoyage des lames de verre
II.1.2. Deuxième étape : test de conductivité
II.1.3. Troisième étape : quelques préparations particulières
II.1.4. Quatrième étape : Réalisation proprement dite de la cellule solaire
II.1.5. Cinquième étape : assemblage des deux plaques de verre
II.2. EVALUATION DE LA TENSION FOURNIE PAR LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE ORGANIQUE
Chapitre III : RESULTATS ET DISCUSSIONS
I. Résultat concernant la cellule à base de colorant
II. Evaluation de la tension électrique fournie par la cellule solaire organique
II.1. Valeurs de la tension selon la position horizontale de la cellule solaire photovoltaïque à base de colorant
II.2. Valeurs de la tension selon une orientation de 10°
II.3. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 20°
II.4. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 30°
II.5. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 40°
II.6. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 50°
II.7. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 60°
II.8. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 70°
II.9. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 80°
II.10. Valeurs de la tension selon une inclinaison de 90°
II.11. Comparaison des différentes valeurs de la tension
III. DISCUSSIONS
III.1. Rendement des cellules photovoltaïques
III.2. Les facteurs pouvant influencer les rendements des cellules photovoltaïques
III.2.1. Le type de jonction utilisée
III.2.2. L’éclairement et la température
III.2.3. L’orientation géographique et l’angle d’inclinaison par rapport au soleil
CONCLUSION
Bibliographie
