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Généralités sur les cellules solaires
Les sources d’énergies renouvelables qui sont inépuisables au cours du temps (Soleil, Vent, Eau, etc.) s’inscrivent dans une perspective environnementale viable et durable, d’une part, elles enrichissent l’éventail des forces énergétiques actuelles, et d’autre part, elles apportent des solutions durables au problème de l’épuisement des combustibles fossiles. La conversion photovoltaïque (PV), est l’une des techniques les plus prometteuses pour exploiter l’énergie solaire. Celle-ci a connu de nombreux développements et plusieurs technologies ont émergé à ce jour. Dans le cadre de ce chapitre nous allons poser les bases nécessaires à la compréhension de la conversion d’énergie. Nous étudierons tout d’abord, le fonctionnement général d’une cellule solaire et les matériaux destinés aux applications photovoltaïques, ensuite, nous évoquerons les différentes générations des cellules solaires.
L’énergie solaire photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein des matériaux semi-conducteurs comme le silicium ou recouverts d’une mince couche métallique. Ces matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est apportée par les photons, qui heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant électrique. Ce courant continu de micro-puissance calculé en watt crête (Wc) peut être transformé en courant alternatif grâce à un onduleur. L’électricité produite est disponible sous forme d’électricité directe, ou stockée en batteries, ou en électricité injectée dans le réseau. Un générateur solaire photovoltaïque est composé de modules photovoltaïques, eux même composés de cellules solaires connectées entre elles. L’amélioration du rendement passe soit par la diminution des pertes optiques ou électriques, qui peuvent limiter la tension délivrée ou le courant débité par la cellule, soit par l’amélioration de la qualité des matériaux semiconducteurs utilisés pour la fabrication des cellules solaires. Ces dernières années, le prix des modules photovoltaïques a considérablement baissé. Cette diminution s’explique par plusieurs facteurs :
❖ La capacité de production du silicium multi-cristallin a augmenté ;
❖ La technologie de fabrication des cellules solaires s’est améliorée ;
❖ La compétition entre les acteurs économiques s’est accentuée.
La conversion photovoltaïque
La photopile solaire est un dispositif électrique qui produit de l’électricité, lorsqu’il est exposé au soleil. Cette énergie lumineuse des photons incidents est donc convertie en énergie électrique par ce qu’on appelle l’effet photovoltaïque. Une cellule photovoltaïque est composée de deux types de matériaux semi-conducteurs, l’un présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit d’électrons. Ces deux parties sont respectivement dites de type N et de type P.
L’effet photovoltaïque a été observé pour la première fois par Antoine Becquerel [1]: un courant électrique était généré lorsque deux électrodes immergées dans un fluide étaient exposées à la lumière. Ses travaux présentés en 1839 par son fils Edmond Becquerel ne furent expliqués que bien plus tard par les théories d’Albert Einstein pour lesquelles il obtint le prix Nobel de physique en 1921 [2]. Il faut attendre 1954 pour que l’ère moderne du photovoltaïque démarre : les chercheurs des laboratoires Bell remarquèrent par hasard, qu’en présence de lumière des diodes PN généraient un courant. Quelques mois plus tard, ils présentaient des cellules solaires à base de silicium avec des rendements de conversion de l’ordre de 6% [3]. Cette technologie a par la suite été fortement développée pour les applications spatiales et dès 1962 elle équipait les satellites Telstar [4]. Le choc pétrolier des années 70 et les considérations environnementales par la suite lui ont permis de mûrir rapidement et de devenir de nos jours une solution énergétique viable. La conversion photovoltaïque repose sur trois grandes étapes que nous allons développer dans les parties suivantes : l’absorption de photons par le matériau semi-conducteur, la génération des paires électron-trou et la séparation de ces porteurs de charge au niveau de la jonction PN et enfin la migration et collecte de ces charges par les électrodes du dispositif.
Absorption de photons par le semi-conducteur
Un solide cristallin est constitué d’atomes disposés selon une structure bien ordonnée et périodique. Les électrons d’un atome isolé occupent des niveaux d’énergie discrets. Lors de la formation d’un solide, par suite des interactions avec les autres atomes, ces niveaux discrets s’élargissent et les électrons des atomes occupent des bandes d’énergie permises, séparées par des bandes d’énergies interdites. La répartition des électrons dans les différents niveaux obéit aux lois de la thermodynamique statistique de Fermi-Dirac. A T = 0 K, seuls sont peuplés les niveaux de plus basse énergie et le niveau statistique de plus haute énergie (EFermi) est appelée niveau de Fermi.
Le surplus d’énergie entraînera un phénomène de thermalisation qui permettra au porteur de charge excité de relaxer cette énergie excédentaire pour revenir au niveau de Ec via une émission de phonons. Macroscopiquement, cela se traduit par un échauffement du matériau. Un matériau est intéressant pour le domaine photovoltaïque s’il possède un gap tel que le maximum de rayonnement solaire puisse être absorbé. Pour quantifier ce gap, le plus simple est de déterminer expérimentalement le seuil d’absorption optique [5].
Principe de fonctionnement d’une cellule et Notion de jonction PN
Le principe de fonctionnement d’une cellule solaire est basé sur les propriétés électriques des semi-conducteurs. Il existe donc deux types de semi-conducteurs selon la concentration des porteurs de charges.
❖ Les semi-conducteurs de type P, lesquels contiennent des défauts de type accepteur conduisent à la création d’un excès de trous dans la bande de valence. Dans ce cas les trous sont les porteurs majoritaires et le niveau de Fermi est proche de la bande de valence;
❖ Les semi-conducteurs de type N, qui sont dopés avec des défauts de type donneur, conduisant à la création d’un excès d’électrons dans la bande de conduction. Les électrons sont alors les porteurs majoritaires et le niveau de Fermi se situe près de la bande de conduction.
La mise en contact de ces deux semi-conducteurs de dopage différent forme donc ce qu’on appelle la jonction PN. Cet assemblage provoque la migration par gradient de concentration des porteurs majoritaires de chaque semi-conducteur de part et d’autre de la jonction. Ainsi, les électrons diffusent de la région N vers la région P et provoquent l’apparition d’ions chargés positivement du côté N. Inversement, les trous diffusent de la région P vers la région N, provoquant l’apparition d’ions chargés négativement du côté P. Ces charges fixes et de signes opposés introduisent une différence de potentiel aux bornes de la jonction. La zone ainsi créé, où règne un champ électrique non nul, s’appelle zone de charge d’espace (ZCE). D’un autre côté, les niveaux énergétiques de Fermi qui étaient inégaux avant contact s’égalisent, ce qui provoque une courbure du diagramme de bande (Figure I.4), introduisant une barrière de potentiel eV à l’interface [7].
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I Généralités sur les cellules solaires
I.1. Introduction
I.2. L’énergie solaire photovoltaïque
I.3. La conversion photovoltaïque
I.3.1. Absorption de photons par le semi-conducteur
I.3.2. Principe de fonctionnement d’une cellule et Notion de jonction PN
I.3.3. Migration et collecte des porteurs de charge
I.4. Caractéristique électrique des cellules solaires
I.4.1. Caractéristique courant/tension
I.4.2. Réponse spectrale
I.5. Différentes filières photovoltaïques
I.5.1. Cellules de première génération
I.5.2. Cellules de seconde génération
I.5.3. Les différentes filières en couches minces
I.5.3.1. Le silicium amorphe
I.5.3.2. Le tellurure de cadmium (CdTe)
I.5.3.3. L’alliage Cuivre-Indium-Gallium-sélénium
I.5.4. Cellules de troisième génération
I.5.4.1. Les cellules photovoltaïques organiques
I.5.4.2. Cellules à colorant (dites de Gratzel)
I.5.4.3. Cellules à polymères
I.5.4.4. Cellules à pérovskites
I.5.4.5. Les cellules du futur
I.6. Conclusion
I.7 Références
CHAPITRE II Notions générales sur le composé CuInSe2
II.1. Introduction
II.2. Structure cristalline
II. 3. Le CuInSe2 dans l’empilement photovoltaïque
II.3.1. Diagramme de phase pseudo-binaire Cu2Se-In2Se3
II.3.2. Le système Cuivre-Indium
II.3.3 Le système Cuivre-Sélénium
II.3.4. Le système Indium-sélénium
II.4. Propriétés de CuInSe2
II.4.1. Propriétés optiques du CIS
II.4.2. Propriétés électriques du CIS
II.4.2.1. Structure de bandes
II.4.2.2. Joints de grains
II.4.2.3. Dopage
II.4.2.4. Mécanismes de recombinaison
II.4.2.5. Zones de recombinaisons
II.5. Défauts chimiques dans le composé CuInSe2
II.6. Conclusion
II.7. Références
CHAPITRE III Etude et élaboration des lingots de CuInSe2
III.1. Introduction
III.2. Etalonnage du four d’élaboration
III.3. Préparation des précurseurs
III.3.1. Propriétés des éléments utilisés
III.3.2. Pesée des éléments
III.3.3. Préparation des éléments dans le tube de quartz
IIII.4. Elaboration des lingots de CuInSe2
III.4.1. Optimisation des paramètres d’élaboration
III.4.2. Elaboration des lingots
III.4.2.1. Equeutage des lingots
III.4.2.2. Découpage des lingots
III.4.3. Broyage des pastilles de CuInSe2
III.5. Analyse structurale
III.5.1. Diffractométrie des rayons X
III.5.2. Spectre de diffraction de rayons X
III.5.3. Paramètres cristallins du lingot de CuInSe2
III.5.4. Taille moyenne des cristallites
III.6. Analyse optique
III.6.1. Principe et appareillage
III.6.2. Mesure de l’absorption du massif
III.6.3. Détermination du gap du massif de CuInSe2
III.7. Analyse électrique
III.7.1. Principe de l’Effet Hall
III.7.2. Méthode des quatre pointes
III.7.3. Pastille de CuInSe2 sur porte échantillon
III.7.4. Technique de mesure d’effet Hall
III.7.5. Résultats obtenus
III.8. Conclusion
III.9. Références
CHAPITRE IV Optimisation des paramètres de dépôt de la couche absorbante à base de CuInSe2
IV.1. Introduction
IV.2. Technique de dépôt CSVT
IV.2.1. Intérêt de la CSVT
IV.2.2. Bref Historique
IV.2.3. Principe de la CSVT
IV.2.4. Dispositif expérimental
IV.2.5. Mode opératoire et principe de dépôt de la CSVT
IV.3. Dépôt des couches minces de CuInSe2
IV.4. Analyse structurale et morphologique
IV.4.1. Analyse par Diffraction de Rayons X (DRX)
IV.4.2. Analyse par Microscope Electronique à Balayage (MEB)
IV.4.2.1. Principe d’analyse
IV.4.2.2. Mode opératoire
IV.4.2.3. Analyse de la morphologie des couches minces de CuInSe2
IV.4.2.4. Analyse compositionnelle
IV.4.2.5. Calcul de l’épaisseur des couches déposées
IV.5. Analyse électrique
IV.5.1. Conditions expérimentales
IV.5.2. Résultats obtenus
IV.6. Analyse optique
IV.6.1. Photoluminescence
IV. 6.2. Détermination du gap optique
IV. 6.3. Détermination du coefficient d’absorption
IV.7. Conclusion
IV.8. Références
Conclusion générale
