Les avantages du CuInSe2 sous sa structure chalcopyrite

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Fonctionnement du panneau photovoltaïque

Un module photovoltaïque plus communément appelé panneau photovoltaïque ou encore panneau solaire est composé d’un ensemble de cellules photovoltaïques qui sont reliées entre elles (soient en séries ou en parallèles). Un ensemble de panneaux constitue une installation photovoltaïque. Ainsi une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants:
absorption des photons (dont l’énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;
conversion du photon en énergie électrique (les photons transfèrent leur énergie aux électrons présents dans la matière), ce qui correspond à la création de paires électron/trou dans le matériau semiconducteur ;
collecte des particules générées dans le dispositif.

L’installation photovoltaïque

Pour une installation photovoltaïque idéale il faut faire un dimensionnement exact. Le dimensionnement tient en compte de tous les paramètres mis en jeux dans le maintient et le bon fonctionnement du système PV.
Une installation photovoltaïque regroupe l’ensemble des composants nécessaires à la production d’électricité dans le cadre d’un projet (produire de l’électricité dans la maison d’un particulier, par exemple). L’installation photovoltaïque se compose donc des panneaux solaires, du ou des onduleurs et du câblage. En général, une installation photovoltaïque produira plusieurs milliers de watts-crête ; on parlera alors de production en kilowatts-crête (KWc).
Une installation sera dite en réseau lorsqu’elle revend au réseau ce qu’elle ne consomme pas, tandis qu’elle sera dite autonome lorsqu’elle stocke dans des batteries ce qu’elle n’utilise pas.

GÉNÉRALITÉS SUR LE PHOTOVOLTAÏQUE

Ainsi on distingue deux types de systèmes photovoltaïques: les systèmes photovoltaïques connectés au réseau et les systèmes photovoltaïques indépendants. Ces derniers peuvent être hybrides.

Les composants d’un système solaire photovoltaïque

Les composants d’un système photovoltaïque dépendent de l’application considérée: habitation isolée ou proximité d’un réseau, utilisation de batterie ou «au fil du soleil», convertisseurs de puissance.
Il existe plusieurs composants d’un système photovoltaïque:

Le panneau photovoltaïque

Le panneau photovoltaïque aussi appelé panneau solaire ou encore module photovoltaïque est composé d’un ensemble de cellules photovoltaïques qui sont reliées entre elles en série ou en parallèle. La puissance d’un panneau exprimée en watts dépend donc du nombre de cellules qui le composent ainsi que de la puissance de chaque cellule.

La cellule photovoltaïque et les différents types de cellules solaires

La cellule photovoltaïque est donc la composante du système qui va réellement se charger de produire de l’électricité. Dans le marché industriel, ils existent quatre principaux types de cellules solaires.

Le silicium

Les cellules les plus répandues sont constituées de silicium (Si) qui est un semiconducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique continu. Le silicium est l’élément le plus abondant sur terre après l’oxygène, il est parfaitement stable et non toxique. On trouve plusieurs technologies pour le photovoltaïque à base du silicium détaillées ci-après ; d’une part les cellules à base de silicium massif (monocristallin, polycristallin, rubans) dites de premières génération, et qui constituent à l’heure actuelle l’essentiel des modules photovoltaïques et d’autre part la technologie à base de silicium en couche mince.

Les cellules monocristallines

Elles sont composées d’un seul cristal et offrent les meilleurs rendements qui varient entre 14 et 18%. Elles ont également de bonnes durées de vie (de l’ordre de 25 ans). Les inconvénients de cette technologie sont les rendements faibles obtenus sous un faible éclairage et surtout le coût prohibitif de production des matériaux.

Les cellules polycristallines ou multicristallines

Elles sont composées de plusieurs cristaux. Il s’agit de la technologie la plus représentée sur le marché du photovoltaïque car elle allie à la fois des rendements de conversion élevés avec un coût de production faible par rapport à la filière silicium monocristallin.

Les cellules en couches minces

La filière tellure de cadmium/sulfure de cadmium (CdTe/CdS)

Les cellules au CdTe sont à base de tellure de cadmium, matériau intéressant du fait de sa forte absorption. Cependant, les composés CdS et CdTe ne sont pas solubles dans l’organisme ; CdTe en particulier est un composé extrêmement stable qui ne présente pas de toxicité sous cette forme. Le produit fini en tant que module encapsulé ne présente donc aucun danger, même en cas d’incendie.

La filière chalcopyrite basée sur le CuIIIVI2 (CIS)

Les cellules au CIS (CuInSe2) sont à base de cuivre, d’indium et de sélénium. Le semi-conducteur CuInSe2 appartient au groupe I-III-VI2 qui est un matériau composé de structure chalcopyrite et qui présente un grand intérêt pour la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire. Ce matériau a la particularité d’être stable sous rayonnement. Elles ont d’excellentes propriétés d’absorption. L’introduction d’atomes de Ga en substitution partielle de l’In, permet d’obtenir de meilleures propriétés. L’étude des couches minces à base de CuInSe2 a commencé vers les années 1974 et s’est très vite développées à cause de leurs propriétés physicochimiques très remarquables.

Les cellules photovoltaïques organiques

Outre l’utilisation de matériaux semiconducteurs inorganique, il existe de nouvelles approches dans la réalisation de cellules solaires c’est le cas des cellules solaires organiques et des cellules solaires à colorant. La cellule solaire organique est une autre alternative aux matériaux plus conventionnels utilisés pour fabriquer des panneaux photovoltaïques. Bien qu’il s’agisse d’une technologie très nouvelle, elle s’avère prometteuse du fait qu’elle constitue une solution à très bas coût.

Les régulateurs de charge

Plusieurs types de régulateurs peuvent être utilisés dans les systèmes photovoltaïques. Le régulateur contrôle les flux d’énergie, c’est un système ou un appareil électronique fonctionnant de façon complètement automatique auquel sont raccordés le générateur (panneaux solaires, éolienne, etc.) la batterie ainsi que d’éventuels équipements ou composants de l’installation. Il doit protéger la batterie contre les surcharges et décharges profondes. Il doit assurer la surveillance et la sécurité de l’installation.

Les convertisseurs

Suivant l’application, on devra souvent utiliser un convertisseur pour adapter la puissance générée à la charge. Il existe principalement deux types de convertisseurs: les convertisseurs DC/DC et les convertisseurs DC/AC.

Les convertisseurs DC/DC

Ces convertisseurs fournissent à la charge une tension DC différente de la tension générée par les panneaux. Ils sont également utilisés pour transformer la tension des batteries en une tension DC différente pour alimenter un téléviseur ou autres.

Les convertisseurs DC/AC ou onduleurs

Les panneaux photovoltaïques produisent du courant continu. Dans la pratique, nous utilisons principalement du courant alternatif, et plus rarement du continu. La raison principale est qu’il faut pouvoir diminuer et augmenter la tension de l’électricité comme on veut et cela n’est possible qu’avec du courant alternatif (et l’utilisation d’un transformateur). Une installation photovoltaïque devra être équipée d’un ou de plusieurs onduleur, qui est l’appareil qui va se charger de transformer le courant continu en courant alternatif qui pourra alors alimenter une charge isolée mais aussi pour raccorder un générateur photovoltaïque au réseau.

Les batteries

Généralement les batteries assurent le stockage d’énergie dans les systèmes photovoltaïques autonomes. Le fonctionnement de la batterie est limité dans sa durée de vie par un nombre de cycles de charge et décharge. Il faut donc éviter les décharges trop profondes de la batterie.

Les autres composants

Les autres composants sont les derniers éléments indispensables au bon fonctionnement d’un système photovoltaïque, par exemple, les protections contre la foudre, les disjoncteurs et les fusibles.

La cellule solaire en couches minces à base de CuInSe2

Introduction

Les cellules solaires utilisant le CIS comme absorbeur ont montré un bon rendement de conversion et une bonne stabilité à long terme contre les agressions extérieures. Le peu de matière première utilisée, le faible coût du support (substrat) et la quantité d’énergie électrique consommée lors du processus de dépôt sont autant d’atouts qui rendent cette filière photovoltaïque attractive dans le domaine industriel et dans la recherche.
Dans ce chapitre nous donnerons un aperçu sur les propriétés structurales du CuInSe2 à savoir sa structure cristalline et son diagramme de phase. Ceci sera suivi par une brève définition de la technique de sélénisation.

Définition d’une couche mince

Par principe, une couche mince est une fine couche d’un matériau déposé sur un autre matériau, appelé « substrat » dont l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur a été fortement réduite de telle sorte qu’elle varie de quelques « nm » à quelques  » m ». Cette faible distance entre les deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. Très souvent un tel petit nombre de couches atomiques possède des propriétés très différentes de celles du matériau massif. Par exemple la réflexion optique ou l’absorption peuvent être maîtrisées de manière très précise, de même que la conductivité électrique. La différence essentielle entre le matériau à l’état massif et celui en couches minces est liée au fait que dans l’état massif on néglige, généralement avec raison le rôle des limites dans les propriétés, tandis que dans une couche mince ce sont, au contraire, les effets liés aux surfaces limites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l’épaisseur sera faible plus cet effet bidimensionnelle sera important. En revanche, lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seuil l’effet d’épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif.

Présentation de la cellule photovoltaïque CIS

Fabrication de la cellule

La filière photovoltaïque à base de couches minces de diséléniure de cuivre et d’indium ( CuInSe2 noté CIS) et de ses alliages avec le gallium et/ou du soufre (Cu(In, Ga)(S, Se)2 ) prend aujourd’hui son envol industriel. Ces cellules solaires sont constituées de plusieurs couches minces semiconductrices avec une épaisseur totale d’environ 2 à 4µm sans le substrat (Figure II.1) [4].
La première étape de fabrication d’une cellule photovoltaïque est le dépôt d’une couche de molybdène ou d’ITO de 1µm d’épaisseur ; généralement par la technique d’évaporation thermique ou de pulvérisation cathodique. Cette couche est le contact ohmique arrière de la cellule ; elle assure l’adhésion entre la couche active de la cellule (génération de photocourant) et le substrat. Une structure typique de ces cellules consiste en une couche absorbeur CuInSe2 de type p, déposée sur du Mo comme contact arrière, une couche tampon CdS de type n suivie d’une couche d’oxyde transparent conducteur (OTC), cette dernière prend cette appellation à cause de leur bande interdite large qui les rendent transparentes pour la plus grande partie du spectre solaire, elle sert comme une couche fenêtre. Entre la couche tampon (CdS) et l’absorbeur se trouve une fine couche nommée OVC (Ordered Vacancy Compound, Défauts Complexes Ordonnés). Cette couche, difficile à délimiter, est formée par les états d’interface entre la couche tampon et l’absorbeur, elle est généralement de type n.
Le substrat: le plus utilisé est le verre sodé ; on peut aussi utiliser des substrats métalliques ou des modules solaires flexibles à couche mince à haut rendement. Ces derniers sont particulièrement adaptés pour de nombreuses applications, par exemple pour les grands parcs solaires, sur les toitures ou les façades des bâtiments ou encore sur les appareils électroniques portables. Ils peuvent être produits à l’aide de procédés de déposition sur rouleaux [4] («roll-to-roll») qui permettent des économies de coût supplémentaires par rapport à la technologie du silicium.
Un contact ohmique inférieur: souvent le molybdène(Mo) ;
Une couche absorbante dans le cas présent, le CIS, de type p ;
Une couche tampon: Avec une conductivité de type n, souvent en CdS, ZnS, InS etc. ou bien du CuInSe2 pour la fabrication des homojonctions. C’est à cette interface que se situe la jonction p-n.
Un oxyde transparent conducteur (OTC): ITO, ZnO, etc. Le ZnO est ici dopé en Aluminium, mais on peut aussi le dopé au Bore pour diminuer les pertes par absorption, ce qui augmenterai l’efficacité quantique des régions près de l’infrarouge.
Un contact ohmique supérieur (grille métallique): Ni-Al au quel est parfois ajouté une couche antireflet ( MgF2 ). Cette couche diminue les réflexions et par conséquent augmente le nombre de photon arrivant dans l’absorbeur, ce qui permet d’obtenir des rendements de 20% [4].

Fonctionnement de la cellule

La structure de la cellule solaire, comporte essentiellement deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement de type n et de type p, (n-CdS et p-CuInSe2 (CIS)). Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. Comme résultat, une partie de la zone initialement dopée n devient chargée positivement, tandis qu’une partie de la zone initialement dopée p est chargée négativement. Une jonction dite p-n est ainsi formée. Cette différence de polarités crée une zone chargée (ZCE) et conduit à l’apparition d’une tension Vbi dans l’hétérojonction. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, ce champ électrique agit comme une diode, ce qui permet aux électrons de passer du côté du CIS vers le CdS, mais pas l’inverse.
Le diagramme d’énergie simplifié de l’heterostructure ZnO/CdS/CuInSe2 montrant les énergies de valence et de conduction de la couche absorbante (CIS) de la couche tampon (CdS) et de la fenêtre (ZnO) est porté sur la figure (II. 2).
Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes où chacun fait passer un électron de la bande de valence (Ev) vers la bande de conduction (Ec) en engendrant une paire électron-trou (processus 1). Les électrons générés diffusent alors jusqu’à la zone chargée (ZCE) (processus 2) et sous l’action du champ électrique, ils traversent la couche tampon n-CdS (processus 3) générant ainsi un courant électrique de type n. le même processus a lieu pour les trous en générant un courant de type p. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à un courant électrique résultant, (figure II.1).
Le fonctionnement du composant peut être aussi décrit en identifiant les mécanismes de perte. Ils peuvent être divisés en trois catégories. Les premiers sont les pertes optiques qui limitent la génération des porteurs et donc le courant du composant. Les seconds sont les pertes parasites, comme les résistances séries, les conductances de shunt, et la dépendance en tension de la collecte du courant qui sont mises en évidence par leur effet sur le facteur de forme mais qui peuvent aussi réduire Icc et Vco influençant la caractéristique I-V [5].
Finalement, il y a les pertes dues aux recombinaisons (électron-trou) qui limitent la tension. Il peut se produire dans la majeure partie de la couche de CIS (processus 4) ou à l’interface de l’hétérojonction (processus 5) à travers les centres de recombinaison, souvent causés par des défauts. Ainsi, l’un des principaux objectifs de la recherche en photovoltaïque est de minimiser la présence de tels défauts.
D’autre part, les photons d’énergie inférieure à 3.3 eV passent à travers la fenêtre ZnO pour atteindre la couche tampon CdS qui absorbera ceux dont l’énergie est comprise entre 2.4 (CdS) et 3.3 eV (ZnO) ce qui limite les performances de la photopile. La cellule sans couche tampon donnerait d’excellents résultats théoriquement. Cependant dans la pratique elle est irréalisable car une couche tampon même très mince est nécessaire pour la poursuite des autres couches. A défaut l’absorbeur subirait des dégradations. Mais la plupart des photons du visible seront absorbés par la couche absorbante CIS qui générera l’essentiel des porteurs de charge.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GÉNÉRALITÉS SUR LA PHOTOVOLTAÏQUE
I.1. Introduction
I.2. Le solaire photovoltaïque
I.2.1. Histoire de l’énergie photovoltaïque
I.2.2. Le soleil
I.2.3. Le bilan radiatif de la Terre
I.2.4. Principe de base de la conversion photovoltaïque
I.2.4.1. Fonctionnement du panneau photovoltaïque
I.2.4.2. L’installation photovoltaïque
I.2.4.3. Les composants d’un système solaire photovoltaïque
I.2.4.3.1. Le panneau photovoltaïque
I.2.4.3.2. La cellule photovoltaïque et les différents types de cellules solaires
I.2.4.3.2.1. Le silicium
I.2.4.3.2.2. Les cellules à couches minces
I.2.4.3.2.3. Les cellules photovoltaïques organiques
I.2.4.3.3. Les régulateurs de charge
I.2.4.3.4. Les convertisseurs
I.2.4.3.5. Les batteries
I.2.4.3.6. Les autres composants
I.2.4.4. Les paramètres physiques d’une cellule solaire
I.2.4.4.1. Modèle équivalent de la cellule photovoltaïque
I.2.4.4.2. La caractéristique courant tension I(V) d’une cellule solaire
I.2.4.4.3. La réponse spectrale
I.2.5. Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque
I.2.6. Les applications du PV
I.2.7. Conclusion
CHAPITRE 2 : LA CELLULE SOLAIRE EN COUCHES MINCES A BASE DE CIS 
II.1. Introduction
II.2. Définition d’une couche mince
II.3. Présentation de la cellule photovoltaïque CIS
II.3.1. Fabrication de la cellule
II.3.2. Fonctionnement de la cellule
II.4. Propriétés structurales de l’absorbeur
II.4.1. Structure cristalline
II.4.2. Les avantages du CuInSe2 sous sa structure chalcopyrite
II.5. Principe de la Sélénisation de l’absorbeur CuInSe2
II.5.1. Sélénisation avec les vapeurs de sélénium
II.5.2. Sélénisation avec un gaz contenant une forme de sélénium
II.6. Diagramme de phase de CuInSe2
II.7. Morphologie des films recuits
II.8. Performance d’une cellule solaire à base de CuInSe2
II.9. Conclusion
CHAPITRE III : LES PROPRIETES ELECTRIQUES DU CIS
III.1. Introduction
III.2. Effet Hall
III.3. La conductivité électrique du CIS
III.3.1. La conductivité de type p
III.3.2. la conductivité de type n
III.4. La mobilité
III.5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE

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