Soutenance mémoire
Etant donné les enjeux environnementaux, économiques et sociaux auxquels se retrouve confrontée notre planète, la lutte contre le réchauffement climatique et l’épuisement des ressources en énergie fossile imposent à nos sociétés de repenser leurs modes de production et de consommation énergétique. Depuis plusieurs décennies, les combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz naturel) couvrent environ 80 % des besoins en énergie primaire de l’humanité. Ces combustibles qui sont, d’une part en quantité finie sur terre, donc épuisables, et émettent en brûlant, du dioxyde de carbone (CO2), qui contribue pour une large part à l’augmentation de l’effet de serre. Donc, il est désormais urgent d’ouvrir la voie à la recherche d’alternatives énergétiques moins polluantes et renouvelables. Dans ce contexte, les technologies photovoltaïques font partie de ces alternatives, pour répondre aux exigences énergétiques modernes. En effet, le soleil est considéré comme une ressource non limitée à l’échelle humaine, non polluante et les matériaux utilisés pour la fabrication des cellules photovoltaïques sont réutilisables.
La technologie la plus largement utilisée actuellement pour la conversion photovoltaïque est celle des cellules solaires à base de silicium cristallin. Cependant, les températures élevées et les nombreuses étapes du procédé de fabrication, en font d’elle une technologie assez complexe, ce qui rend intéressant le développement des cellules solaires à base d’autres matériaux et d’autres procédés. En effet, certains matériaux semi-conducteurs peuvent être déposés en couches minces et se substituer au silicium cristallin. Leurs coefficients d’absorption sont environ 100 fois supérieurs à celui du silicium cristallin. De plus, une faible quantité de matière est suffisante pour déposer la couche absorbante; ce qui va entrainer la réduction des coûts de production des cellules solaires. Parmi les technologies de deuxième génération les plus développées, quatre sous-filières peuvent être distinguées: le silicium amorphe, le CdTe, le Cu(In,Ga)Se2 et le Cu2ZnSnS4. Outre la faible épaisseur des couches et le coefficient d’absorption élevé, ces sous filières sont intéressantes par la diversité des procédés de synthèse. En particulier, la technologie Cu(In,Ga)Se2, couramment appelée CIGS, présente des rendements records. C’est donc une technologie photovoltaïque prometteuse.
Généralités sur les énergies & le photovoltaïque
Les atouts principaux de l’énergie solaire sont une réserve quasi-inépuisable à notre échelle, ainsi que son accessibilité géographique, en dépit de son intermittence. 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 ce qui suit, on va mettre l’accent sur les différentes sources d’énergies fossiles et renouvelables. Dans un deuxième temps, seront présentées les notions de base et les paramètres majeurs permettant la création d’un photo-courant et on termine par un rappel des différents types de cellules solaires.
Différentes sources d’énergies
Les sources d’énergie, ou énergies primaires se présentent sous différentes formes : combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel), énergie nucléaire et enfin énergies renouvelables (éolienne, hydraulique, biomasse, géothermie et solaire).
L’énergie nucléaire
L’énergie nucléaire est une énergie récente, née à la fin des années 30 avec la découverte de la réaction de fission. Sous certaines contraintes, un noyau atomique peut:
➤ Soit se scinder en deux morceaux à peu près égaux, on parle de fission;
➤ soit s’agglomérer avec un autre noyau, on parle de fusion. La fusion et la fission libèrent toutes les deux de l’énergie sous forme de chaleur et de rayonnement, on la nomme énergie nucléaire.
La fission
La fission est la cassure d’un noyau très lourd (comme l’uranium 235 ou le plutonium 239) en deux noyaux de taille moyenne et deux ou trois neutrons . Elle est provoquée par l’impact d’un neutron sur le noyau lourd et s’accompagne de rayonnements. Cette réaction est utilisée pour produire de l’énergie dans les centrales nucléaires.
La fusion
La fusion concerne les petits noyaux ou noyaux légers (par exemple deutérium et tritium). Ces noyaux s’assemblent pour former un noyau plus lourd et un neutron . La fusion deutérium-tritium ne peut se faire que si la température est très élevée (> 100 millions de degrés). Elle a lieu naturellement au cœur du soleil et des autres étoiles. Cette température est bien trop importante pour nos technologies actuelles, c’est pourquoi, on utilise la réaction de fission dans les centrales nucléaires, et non celle de fusion.
Un réacteur nucléaire permet la production de la chaleur, qui fait bouillir de l’eau pour la transformer en vapeur, qui va entraîner des turboalternateurs pour produire de l’électricité. La fission nucléaire ne provoque pas d’émission de gaz à effet de serre, mais produit en revanche des déchets radioactifs dont le traitement et le stockage ultime sont nécessaires.
Les énergies fossiles
Ce sont des matières premières que l’on trouve sous terre, issues de la décomposition de matières organiques (végétaux et organismes vivants), il y a des millions d’années. Ce sont des combustibles tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Ces ressources sont épuisables, c’est-à-dire, elles diminuent quand on les utilise, car il leur faut des millions d’années pour se former.
Le charbon
Le charbon est un combustible fossile, c’est une roche organique sédimentaire combustible composée essentiellement de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Elle s’est formée à partir de débris végétaux consolidés entre d’autres couches rocheuses et altérés par la pression et la chaleur pendant des millions d’années, jusqu’à constitution d’un gisement de charbon. De tels gisements peuvent atteindre une surface de 5000 km2 . Au cours de la fermentation, les dépôts minéraux passent par différents stades avec de différents pourcentages de carbone : la tourbe (60 %); le lignite (65 à 70 %); la houille (80 et 90 %) et l’anthracite (93 à 97 %). De même, le charbon de bois n’est pas naturel. C’est un charbon artificiel, qui est obtenu par combustion incomplète de végétaux. Dans une centrale classique, le charbon pulvérisé est brulé dans une chaudière pour porter de l’eau à ébullition et générer de la vapeur, qui entraine une turbine couplé à un alternateur, afin de produire de l’électricité.
Le pétrole
Le pétrole est la première source d’énergie mondiale, formé à partir du plancton qui s’est déposé au fond des mers. Il fournit près de la moitié de la demande totale en énergie primaire.
Le gaz naturel
Le gaz naturel est le combustible fossile le moins polluant, il s’est formé en même temps que le pétrole. Issu de la transformation naturelle durant des millions d’années de matières organiques, le gaz provient de couches géologiques du sous-sol où il se trouve soit seul, soit en association avec du pétrole. Globalement, le gaz naturel représentait 23.9 % de la consommation d’énergie primaire. L’utilisation des énergies fossiles, en tant que combustible, s’est véritablement développée au cours du 19ème siècle à une époque où les besoins en énergie ont fortement augmenté avec le début de la révolution industrielle. Ces énergies sont faciles à transporter et à stocker.
Cependant, pour différentes raisons, il s’avère qu’il est mieux de minimiser l’utilisation de ces énergies. Tout d’abord, les réserves d’énergie fossiles commencent à s’amoindrir. Ensuite, en raison de la très forte demande en provenance des pays en voie de développement, les prix de ces énergies ne cessent d’augmenter. Et puis, lors de leur utilisation, ces énergies émettent une grande quantité de gaz à effet de serre (CO2) qui participe fortement au réchauffement planétaire, qui devient un problème grandissant pour la terre et les êtres vivants. Selon les études, la production électrique à partir de combustibles fossiles est à l’origine de 40 % des émissions mondiales de CO2 [1]. La société est donc confrontée à la nécessité de substituer des énergies renouvelables non polluantes aux énergies fossiles.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Généralités sur les énergies & le photovoltaïque
I.1. Introduction
I.2. Différentes sources d’énergies
I.2.1. L’énergie nucléaire
I.2.1.1. La fission
I.2.1.2. La fusion
I.2.2. Les énergies fossiles
I.2.2.1. Le charbon
I.2.2.2. Le pétrole
I.2.2.3. Le gaz naturel
I.2.3. les énergies renouvelables
I.2.3.1. L’énergie éolienne
I.2.3.2. L’énergie hydraulique
I.2.2.3. La biomasse
I.2.2.4. La géothermie
I.2.2.5. L’énergie des mers (énergie marine)
I.2.2.6. L’énergie solaire
I.3. La conversion photovoltaïque
I.3.1. Historique de l’effet photovoltaïque
I.3.1. Jonction PN
I.4. Principe de fonctionnement d’une cellule solaire
I.4.1. Les paramètres caractérisant une cellule solaire
I.4.1.1. Courant de court-circuit Icc
I.4.1.2. Tension à circuit ouvert Vco
I.4.1.3. Facteur de forme FF
I.4.1.4. Rendement de conversion
I.4.2. Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire
I.5. Les matériaux destinés à la conversion photovoltaïque
I.5.1. La filière silicium
I.5.1.1. Le silicium monocristallin
I.5.1.2. Le silicium polycristallin
I.5.2. La filière couche mince
I.5.2.1. Le silicium amorphe (a-Si)
I.5.2.2. Le tellurure de Cadmium (CdTe)
I.5.2.3. Le di-séléniure de cuivre et d’indium
I.5.3. Les cellules multi-jonctions
I.5.4. Les cellules nanocristallines à colorant ou «cellules de Graëtzel »
I.5.5. Les cellules photovoltaïques organiques
I.6. Conclusion
I.7. Références
Chapitre II Propriétés du composé ternaire CuInSe2
II.1. Introduction
II.2. Les différents composants d’une cellule solaire
II.2.1. Substrat de verre
II.2.2. Contact arrière
II.2.3. Couche absorbante
II.2.4. Couche tampon
II.2.5. Couche fenêtre
II.2.6. Contact avant
II.3. Les composés chalcopyrites
II.4. Le matériau absorbeur CuInSe2
II.4.1.Propriétés des constituants de base du CuInSe2
II.4.1.1. Le cuivre (Cu)
II.4.1.2. L’indium (In)
II.4.1.3. Le sélénium (Se)
II. 4.2. Les défauts chimiques dans le composé CuInSe2
II.4.3. Les propriétés physicochimiques du composé CuInSe2
II.4.3.1. Les propriétés structurales et diagramme d’équilibre
II.4.3.2. Propriétés optiques
II.4.3.3. Propriétés électriques
II.5. Conclusion
II.6.Références
Chapitre III Elaboration et caractérisation des lingots de CuInSe2
III.1 Introduction
III.2. Elaboration du composé CuInSe2
III.2.1. Conditions d’élaboration
III.2.2. Propriétés des éléments de base utilisés
III.2.3. Pesée et préparation stœchiométrique des mixtures
III.2.4. Préparation du tube en quartz
III.2.5. Cycle thermique d’élaboration
III.3 Caractérisation des lingots de CuInSe2
III.3.1. Caractérisation structurale
III.3.1.1. Diffraction des rayons X
III.3.1.2. Conditions d’analyses
III.3.1.3. Spectre de diffraction de rayons X
III.3.1.4. Paramètres de maille
III.3.1.5. Taille moyenne des cristallites
III.3.2. Caractérisation électrique
III.3.2.1. Principe de l’effet Hall
III.3.2.2. Mesure de la résistivité
III.3.2.3. Préparation de l’échantillon élaboré
III.3.2.4. Technique de mesure d’effet Hall
III.3.2.5. Résultats obtenus
III.4. Caractérisation optique
III.4.1. Appareil de mesure
III.4.2.Mesure de l’absorption du composé CuInSe2
III.4.3. Détermination du gap du composé CuInSe2
III.5. Conclusion
III.6. Références
Chapitre IV Dépôt des Couches minces de CuInSe2 par la technique CSVT
IV.1. Introduction
IV.2. Méthodes de dépôt des couches minces de CuInSe2
IV.3. Description de la technique CSVT
IV.4. Conditions expérimentales
IV.5. Caractérisation des couches minces de CuInSe2
IV.5.1. Caractérisation morphologique et structurale
IV.5.1.1. Composition chimique
IV.5.1.2. Caractérisation morphologique
IV.5.1.3. Caractérisation structurale
IV.5.2. Caractérisation électrique
IV.5.3. Caractérisation optique
IV.5.3.1. Détermination du coefficient d’absorption
IV.5.3.2. Détermination du gap optique
IV.6. Conclusion
IV.7. Références
Conclusion générale
