Soutenance mémoire
Le photovoltaïque dans la transition énergétique
Energie Renouvelable
Tout comme l’accès à l’eau potable ou bien la nourriture, l’accès à l’énergie est indispensable aux sociétés d’aujourd’hui et est étroitement lié à tout autre besoin. la consommation mondiale en énergie est passée de 9000 Mtep (millions de tonnes équivalent pétrole) en 1992 à 14000 Mtep en 2017. Elle augmente continuellement et est estimée à plus de 30000 Mtep en 2050.
Pour pouvoir répondre de façon pérenne à cette demande croissante en énergie, il paraît donc incontournable de se tourner vers des énergies qui ne sont pas fossiles, c’est-à-dire renouvelables. Pourtant, la part des énergies renouvelables reste à ce jour encore mineure comparée aux autres sources d’énergie primaire telles que le pétrole, le charbon ou encore le gaz naturel. Sans compter les considérations politiques de production et de distribution d’énergie qui rentrent en jeu, il s’agit donc d’un défi scientifique de taille : rendre le renouvelable suffisamment compétitif pour parvenir à réaliser une transition énergétique à l’échelle mondiale. En 2016, les énergies renouvelables représentaient en effet seulement 13,7 % du mix énergétique primaire produit dans le monde dont moins de 1,6 % correspondent à l’énergie solaire .
Pourtant le soleil est une source d’énergie inépuisable à notre échelle et qui pourrait subvenir à nos besoins si nous sommes capables de la transformer et de la stocker. En effet, la puissance lumineuse qui parvient jusqu’à notre planète est d’environ 1000 W/m² lorsque le soleil est au zénith. En moyenne sur une année et sur le globe terrestre, l’énergie incidente que l’on reçoit est estimée à 342 W/m² dont une partie est réfléchie ou absorbée par l’atmosphère. Seuls 198 W/m² parviennent jusqu’à la surface de la Terre. Au total, le soleil offre ainsi sur Terre une puissance de 885 millions de TWh en une année, soit 6200 fois l’énergie primaire consommée par l’humanité en 2008 et 4200 fois l’énergie consommée estimée pour 2035 selon le scénario de l’agence internationale de l’énergie (IEA) .
La quantité annuelle d’énergie reçue du soleil surpasse largement celle estimée par les ressources fossiles, y compris la fission de l’uranium . A la vitesse de consommation en énergie en 2010, les réserves totales de pétrole sont estimées à environ 50 ans, celles de gaz naturel à 60 ans et celles de charbon à 150 ans. C’est pourquoi, des efforts sont réalisés pour développer la production d’énergie à partir de l’énergie du soleil. Parmi les sources d’origine solaire, nous pouvons notamment compter sur le photovoltaïque (PV) qui convertit directement l’énergie lumineuse en énergie électrique. Il s’agit de l’énergie renouvelable dont la vitesse de croissance est la plus élevée, d’après l’agence internationale de l’énergie (IEA) et le Centre Commun de Recherche (JRC) de la commission européenne . Une croissance de 37,3 % entre 1990 et 2016 a été observée pour le solaire photovoltaïque .
On peut par ailleurs s’attendre à voir encore augmenter ce taux de croissance du photovoltaïque dans les années à venir, notamment sur le continent africain où l’énergie solaire est en plein essor. En effet, l’irradiation solaire reçue par un pays d’Afrique est jusqu’à deux fois plus importante que celle d’un pays européen. La puissance PV installée en Afrique était d’environ 500 MW en 2013 et est passé à 2100 MW en 2015 : elle a donc quadruplé en l’espace de 2 ans. Elle se concentre en Afrique du Sud qui représente 65 % de la capacité installée (soit 1361 MW) . (A titre de comparaison, la capacité du parc solaire photovoltaïque installé en France métropolitaine était de 7660 MW en 2017 .) .
Energie Propre
En parallèle de cette nécessité de basculer efficacement vers les énergies renouvelables, la lutte contre le dérèglement climatique est également un enjeu de ce XXIème siècle. D’après le rapport du GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) d’octobre 2018, les activités humaines ont d’ores et déjà provoqué un réchauffement planétaire de 1 ± 0,2°C par rapport à l’époque préindustrielle (1861-1880). Si le réchauffement continue au même rythme qu’actuellement (soit 0,2 ± 0,1°C par décennie) le réchauffement dépassera 1,5°C vers 2040 . Or un réchauffement de 1,5°C conduira à un changement climatique significatif dont de nombreux impacts négatifs sur l’environnement en découleront . Cette hausse de température va notamment entraîner une montée des eaux, l’extinction d’espèces, la perte des récifs coralliens (de 70 à 90 %), un dérèglement climatique régional qui va causer la baisse de rendements agricoles et une réduction de la prise de poissons. Ce réchauffement planétaire va donc pousser des millions de personnes à migrer.
S’il l’on veut limiter la hausse de température à 1,5°C, il faut, d’après le GIEC, réduire nos émissions de CO2 (un des principaux gaz à effet de serre, responsable du réchauffement) de 45 % d’ici 2030 et atteindre une neutralité carbone pour 2050, c’est-à-dire ne pas rejeter plus de CO2 dans l’atmosphère qu’il n’en est absorbé. C’est dans ce contexte qu’intervient la transition énergétique dont l’objectif est de basculer vers un mix énergétique basé sur les énergies renouvelables en augmentant leurs capacités installées tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre (GES). En effet, la production d’énergie est également très fortement liée à l’émission de gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique.
Les émissions de CO2 liées à l’énergie représentent 65 % des GES dans le monde, et la production d’électricité est à l’origine de la plus grande part d’émissions de CO2 liées à l’énergie (39 %) . Réduire les émissions de CO2 lors de la production d’électricité permettrait donc de lutter significativement contre le dérèglement climatique.
|
Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I – Contexte et Etat de l’art
A. Photovoltaïque
1.A.1. Le photovoltaïque dans la transition énergétique
1.A.2. La place de la filière pérovskite dans le domaine photovoltaïque
1.A.2.1. Emergence de la filière : photovoltaïque de 3ème génération
1.A.2.2. Avenir de la filière
1.A.3. Le matériau pérovskite comme absorbeur solaire
1.A.4. Fonctionnement et architecture des cellules solaires pérovskites
B. Architectures à base de nanostructures de carbone et de TiO2
1.B.1. Le TiO2 pour le photovoltaïque
1.B.2. Nanostructures carbonées : des nanotubes de carbone au graphène
1.B.3. Etat de l’art du TiO2/graphène
1.B.3.1. Les procédés de fabrication des nanocomposites TiO2/graphène
1.B.3.2. Les nanocomposites TiO2/graphène dans les cellules pérovskites
C. Objectifs de ce travail de thèse
Chapitre II – Techniques expérimentales
2.1. Synthèse de graphènes
2.2. La synthèse de nanocomposites TiO2/graphène par pyrolyse laser
2.2.1. Principe de la Pyrolyse Laser
2.2.2. Synthèse de nanoparticules de TiO2
2.2.3. Synthèse de nanocomposites TiO2/graphène
2.2.4. Traitement thermique post-synthèse
2.3. Elaboration des cellules photovoltaïques pérovskites (PSCs)
2.3.1. Electrode de collecte transparente ► FTO
2.3.2. Couche bloqueuse de trous ► TiO2 dense
2.3.3. Transporteur d’électrons (ETL) ► TiO2 ou TiO2/graphène mésoporeux
2.3.4. Absorbeur solaire ► Pérovskite
2.3.5. Transporteur de trous ► Spiro-OMeTAD
2.3.6. Contre-électrode ► Au
2.4. Techniques de caractérisation : du matériau au dispositif
2.4.1. Diffraction des rayons X (DRX) ► Propriétés structurales
2.4.2. Spectroscopie Raman ► Propriétés structurales
2.4.3. Microscopie ► Propriétés morphologiques
2.4.4. Spectroscopie de Photoluminescence (PL) ► Propriétés Physiques
2.4.5. Mesures Courant-Tension (JV) ► Performances photovoltaïques
Chapitre III – Du matériau au dispositif : Nanocomposites TiO2/Graphène
3.1. Choix des matériaux
3.1.1. Choix du graphène
3.1.1.1. Graphènes « maison »
3.1.1.2. Graphènes commerciaux
3.1.2. Conditions de synthèse par pyrolyse laser & Matériaux produits
3.1.2.1. Nanopoudres par Pyrolyse Laser
3.1.2.2. Recuits post-synthèses
3.2. Propriétés des nanocomposites obtenus par pyrolyse laser
3.2.1. Le TiO2 au sein des nanocomposites
3.2.1.1. Différents TiO2 de référence synthétisés par pyrolyse laser
3.2.1.2. TiO2 synthétisés par pyrolyse laser en présence de graphène
3.2.2. Le graphène au sein des nanocomposites
3.2.3. Interaction TiO2/graphène
3.3. Conclusion du Chapitre III
Récapitulatif des matériaux synthétisés
Chapitre IV – Du matériau au dispositif : Cellules solaires pérovskites
4.1. Du matériau à la couche mince mésoporeuse
4.1.1. Propriétés optiques
4.1.2. Propriétés photo-physiques
4.2. De la couche mince au dispositif : Performances photovoltaïques
4.2.1. Effet du graphène sur des cellules non optimales
4.2.2. Effet du graphène sur des cellules de bonne qualité
4.2.2.1. Graphène rGO (oxyde de graphène réduit)
4.2.2.2. Graphène GNP (nanoplaquettes de graphène)
4.2.3. Discussion
4.3. Conclusion du Chapitre IV
Conclusion & Perspectives autour des nanocomposites TiO2/graphène pour le photovoltaïque pérovskite
CONCLUSION
