Le photovoltaïque couches minces

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. Le solaire photovoltaïque (PV), dont la recherche a débuté dans les années 1950, est l’une des techniques les plus prometteuses pour récupérer cette énergie. Celle-ci a connu de nombreux développements et plusieurs technologies ont émergé à ce jour. Parmi les différentes technologies photovoltaïques, les cellules en couches minces présentent des avantages significatifs.

Energie photovoltaïque

Le potentiel : énergie solaire disponible

La température en surface du Soleil est de 5800K. Le spectre du rayonnement électromagnétique émis par ce dernier est donc à peu près équivalent à celui d’un corps noir à cette même température. L’irradiance de ce rayonnement arrivant sur l’atmosphère terrestre (Total Solar Irradiance, TSI) est de 1366 W/m2 . En traversant l’atmosphère, une partie du spectre est absorbée par les différents gaz (O3 , H2O et CO2 notamment) ou particules présents. Ainsi, l’énergie solaire disponible en surface de la Terre est réduite, et ce en fonction de la distance traversée dans l’atmosphère par le rayonnement. Cette distance, appelée masse d’air, est fonction de l’angle d’incidence θ du rayonnement par rapport au zénith.

Applications

En plus de son caractère renouvelable et écologique, l’énergie solaire photovoltaïque (PV) a pour intérêt d’être extrêmement modulable. En effet, il est possible de concevoir des centrales électriques PV de plusieurs centaines de MWc (méga-watts crête), tout comme des alimentations pour dispositifs autonomes en énergie, dont la surface peut descendre jusqu’à quelques cm² . Dans le cas des dispositifs nomades, le photovoltaïque est très prometteur car l’énergie solaire est disponible en tout point du globe. De plus, comparé à d’autres formes de production d’énergie (éolien, nucléaire, solaire thermique, biomasse…), le photovoltaïque nécessite relativement peu de matière et de volume. Aucun élément mécanique mobile n’est indispensable, ce qui exclut les problèmes d’usure. Ainsi, les applications du PV en tant que source d’énergie autonome sont aujourd’hui fortement diversifiées. Cela inclut des objets de petite dimension ayant une faible consommation, tels que les chargeurs d’appareils électroniques nomades, les alarmes et autres capteurs, ou encore l’éclairage [1]. Mais le PV est aussi de plus en plus utilisé comme source d’énergie pour des objets plus grands, tels que les véhicules. Initialement utilisé comme énergie complémentaire pour les équipements électriques d’automobiles, de bateaux ou d’avions, son utilisation comme source principale a aussi été démontrée sur ces mêmes types d’appareils équipés de moteurs électriques. L’exemple le plus remarquable est le projet suisse Solar Impulse, au sein duquel un prototype d’avion solaire a pu voler durant un cycle complet jour/nuit sans autre source d’énergie.

Le PV a aussi pour avantage de pouvoir être intégré directement aux bâtiments (Building Integrated PhotoVoltaics, BIPV) afin de générer l’électricité directement sur place. Ainsi, il ne nécessite pas de surface supplémentaire. Enfin, l’utilisation du PV ne se limite pas au domaine terrestre. Son application initiale concernait l’alimentation de satellites et autres équipements du domaine spatial. Le photovoltaïque est particulièrement adapté à ce champ d’applications, grâce à l’encombrement et au poids limité et à la disponibilité de l’énergie solaire en dehors de l’atmosphère terrestre.

Principe

La production d’énergie photovoltaïque est basée sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs. En effet, ces derniers sont capables d’absorber des photons dont l’énergie Ephoton = hν est supérieure à la largeur de bande interdite Eg = Ec−Ev . L’énergie du photon est absorbée par un électron de la bande de valence, qui est transféré dans la bande de conduction. Son absence dans la bande valence est modélisée par un trou, porteur de charge positive. L’absorption du photon génère ainsi une paire électron-trou. Dans le cas où l’énergie du photon est supérieure à celle de la bande interdite du matériau, l’excès d’énergie est libéré par l’électron sous forme de phonons et donc de chaleur (thermalisation). Cependant, un matériau semi-conducteur seul ne permet pas de générer de courant électrique. En effet, les paires électron-trou ne sont pas collectées et elles se recombinent donc toutes au bout d’un temps caractéristique τ (temps de vie des porteurs).

Afin de générer un courant, une jonction p-n est utilisée à la place d’un simple semiconducteur. Le champ électrique formé par cette jonction et présent dans la zone de déplétion (ou zone de charge d’espace, ZCE) sépare les électrons et les trous. Celui-ci conduit chaque type de porteur vers la zone où il est le porteur majoritaire (les électrons vers la zone n et les trous vers la zone p).

On peut noter que la probabilité de collecte est maximale dans la zone de déplétion car le champ électrique sépare efficacement les paires électron-trou. Dans les zones quasineutres, c’est la diffusion qui permet aux porteurs de se déplacer. Ainsi, dans ces zones seuls les porteurs générés à une distance par rapport à la zone de charge d’espace qui est inférieure à leur longueur de diffusion pourront être collectés. Généralement, dans une cellule solaire seul l’un des deux composants de la jonction (p ou n) est utilisé comme matériau absorbeur de lumière. Les cellules photovoltaïques sont donc conçues avec une couche absorbeur beaucoup plus épaisse que l’autre couche formant la jonction.

Afin de récolter les charges efficacement en minimisant le masquage, le contact avant est réalisé avec une grille métallique. Le contact arrière, quant à lui, occupe la totalité de la face arrière de la cellule. Selon les technologies employées, d’autres couches sont ajoutées à cette structure de base.

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Table des matières

INTRODUCTION
1 Introduction : le photovoltaïque couches minces
1.1 Energie photovoltaïque
1.1.1 Le potentiel : énergie solaire disponible
1.1.2 Applications
1.1.3 Principe
1.2 Couches minces
1.2.1 Contexte
1.2.2 Caractéristiques et applications
1.3 Positionnement de la thèse
2 Cellules CIGS sur substrats métalliques
2.1 Structure d’une cellule CIGS
2.2 Propriétés du CIGS
2.2.1 Structure
2.2.2 Propriétés électroniques
2.2.3 Propriétés optiques et génération de courant
2.2.4 Sodium
2.3 Substrats métalliques
2.3.1 Dilatation thermique et contraintes résiduelles
2.3.2 Rugosité
2.3.3 Diffusion d’impuretés
2.3.4 Apport de sodium
2.4 Conclusion
3 Méthodes expérimentales
3.1 Procédés d’élaboration
3.1.1 Contact arrière
3.1.2 CIGS
3.1.3 Couche tampon en CdS
3.1.4 Contacts avant
3.2 Caractérisation
3.2.1 Matériaux
3.2.2 Dispositifs photovoltaïques
4 Contacts arrières en bicouches Mo/Mo
4.1 Introduction
4.2 Procédure expérimentale
4.2.1 Contacts arrières en Mo
4.2.2 CIGS et cellules solaires
4.3 Résultats
4.3.1 Monocouches [Mo-A]
4.3.2 Bicouches [Mo-B/Mo-A]
4.3.3 Couches de CIGS
4.3.4 Cellules solaires
4.4 Conclusion
5 Apport de sodium
5.1 Introduction
5.2 Procédure expérimentale
5.2.1 Contacts arrières
5.2.2 CIGS et cellules solaires
5.3 Résultats
5.3.1 Comparaison entre Mo-A et Mo-N
5.3.2 Couches de CIGS
5.3.3 Cellules solaires
5.4 Conclusion
6 Conclusion
CONCLUSION