Les principales composantes de la cellule a base de CuInGaSe2

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PROBLEMATIQUE DE L’ALGERIE

Les premiers panneaux solaires photovoltaïques made in Algeria viennent d’être mis sur le marché par l’entreprise nationale des industries électroniques (ENIE) basée a Sidi bel-abbès Précisant que les panneaux solaires actuellement commercialisés sont d’une puissance de 500 kw et seront suivis dans deux ans par la production d’autres dispositifs de 4 mega matts.
Les premiers équipements d’éclairage public à partir de lampes photovoltaïques également signés (ENIE) sont dèja installés à sidi bel-abbès
un nouveau programme est en outre tracé en vue de la fourniture et pose de lampadaires solaires photovoltaïques au niveau des cinq carrefours principaux de la capitale de la mekerra de la future rocade nord rnètre la cité sidi djillali et la commune de sidi lahcène distante de 5 kilomètres la même source a affirmé que plusieurs wilayas du pays ont manifesté leur intérêt pour l’installation ce type d’éclairage et de signalisation.

THEORIE DE BASE DES CELLULAIRES SOLAIRES

INTRODUCTION :

Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui transforme l’énergie lumineuse en courant électrique. Actuellement ils existent des semi-conducteurs comme le silicium (Si), l’arsenic de gallium (GaAs). Le ternaires (CulnSe2) et quaternaires (CuInGaSe2). L’énergie photovoltaïque a été découverte par Aîexandre-Edmond Becquerel [ ], qui a étudié le spectre solaire, le magnétisme-l’électricité, et les systèmes optiques.
En 1839 il a découvert l’effet photovoltaïque, il a mis les fondements de base de l’énergie photovoltaïque, ses travaux ont permis d’ouvrir définitivement la voie de l’industrialisation de ce type d’énergie.
Malheureusement, ce concept d’énergie ne trouva pas d’écho dans l’esprit des scientifiques de l’époque. Il a fallut l’arrivé d’Einstein en 1904 et l’apparition de la mécanique quantique pour expliquer le phénomène photovoltaïque. Vingt années ont été nécessaires pour que la première véritable utilisation de l’énergie photovoltaïque soit faite grâce à Carl Fuller, et c’était la naissance de !a première cellule solaire, En 1954 c’était le début d’un véritable projet de cellules solaires au sein de la société Bell a haut rendement (environ 6%) [ ].
Cependant, le prix très élevé de ces cellules a limité leur utilisation dans le domaine spatial- L’intérêt de l’humanité envers cette énergie renouvelable s’est ressenti au début des années 70 après le premier choc pétrolier, c’est à ce moment que l’utilisation des cellules solaires s’est développée partout dans le monde.
Dans ce chapitre nous donnerons un aperçu sur la physique des photopiles et leur principe de fonctionnement.

L’EFFET PHOTOVOLTAIQUE

La conversion photovoltaïque utilise la transformation de l’énergie du photon en électricité grâce à un processus d’absorption de la lumière par le matériau semi conducteur. En effet, sous l’effet du bombardement du matériau par des photons, les électrons qui forment les couches de valence sont arrachés. Si l’électron revient à son état initial, cela se traduit par un échauffement du matériau. Par contre, dans une cellule photovoltaïque une partie des électrons ne reviennent pas à leur état initial créant ainsi un courant électrique faible.
C’est l’effet photovoltaïque -La conversion photovoltaïque est la récupération d’une partie de cette énergie des photons sous forme électrique, en séparant les paires « électron – trou » grâce a un champ électrique externe dû au fait que les électrons et les trous ont des charges de signes opposés (-q ; +q) (Figure I.1). Ces charges sont canalisées dans un circuit extérieur pour être utilisées comme source d’électricité. Dès que la cellule est éclairée par une énergie du photon supérieur au gap (hv > Eg), elle génère un courant électrique à ses bornes.

PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE

L’absorption et le rayonnement solaire

Lorsqu’un semi conducteur est exposé au rayonnement solaire, seul les photons ayant une énergie supérieure ou gale à la largeur de la bande interdite, vont réagir avec le réseau, et cette interaction s’exprime par le passage d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction. L’absorption de la lumière dans un matériau suit une loi exponentielle décroissante en fonction de la profondeur de pénétration [ ] : I (x) = I.0.e-α.x
Avec : I : intensité de la lumière présente à une profondeur x.
IO: intensité incidente pour x = 0.
α [cm-1]: coefficient d’absorption X [cm]: profondeur de pénétration.
Le coefficient d’absorption dépend de la longueur d’onde du photon incident. A partir de cette relation, on détermine la profondeur d’absorption de chaque longueur d’onde dans le matériau. L’absorption est une propriété physique du matériau.

Cellule photo voltaïque

L’énergie solaire est convertie en courant électrique par l’intermédiaire de photopiles. Une cellule photovoltaïque est un composant électronique à semi-conducteur et son fonctionnement est basé sur les propriétés du matériau semi conducteur appelé absorbent.
La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet photovoltaïque, c’est-à-dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau. Lorsqu’un semi-conducteur est exposé
à un rayonnement, l’énergie des photons absorbés permet des transitions électroniques depuis la bande de valence vers la bande de conduction du semi-conducteur, créant ainsi des paires électron trou. Pour éviter la recombinaison, il faut les séparer grâce à un champ électrique, la méthode la plus utilisé pour créer ce champ est celle du dopage.
Le dopage est l’introduction d’atomes étrangers (impuretés) dans un cristal semi-conducteur, et ces atomes dopant peuvent être tri ou pentavalent. Dans le premier cas où l’on place dans le cristal des atomes auxquels il manque un électron de valence appelés accepteurs, il va manquer un électron pour assurer toutes les liaisons.On parle donc d’un semi-conducteur type P (déficitaires en électrons); le niveau de Fermi est situé tout prés de la bande de valence et on a alors une conduction par trous. Dans le second cas, l’atome apporte un électron de plus que nécessaire pour réaliser les liaisons cristallines normales et remplir les bandes d’énergie du semi-conducteur, cet atome est appelé atome électron. On parle alors de semi-conducteur type N (excédentaires en électrons), on a donc une conduction par électrons et le niveau de Fermi dans ce cas est situé tout près de la bande de conduction.
En juxtaposant dans un même matériau semi-conducteur deux zones, une type P et l’autre type N, on réalise une jonction PN (Figure I.2), qui se traduit sous deux formes : l’homo jonction qui est le résultat d’un contact de deux zones différemment dopé d’un même semi-conducteur et l’hétérojonction qui est la jonction formée entre deux différent matériaux qui a été étudiée afin d’optimiser le rendement, et en particulier pour les capteurs solaires dans le but d’obtenir un gap plus large.

LES CARACTERISTIQUES D’UNE PHOTOPILE SOLAIRE

Une cellule solaire est caractérisée par un courant de court circuit Icc, Une tension à circuit ouvert Vco un facteur de fonne FF et un rendement de conversion η. selon ces paramètres on peut comparer différentes cellules éclairées. La mesure de la courbe courant- tension sous illumination (Figure I.4),c’est-à-dire la densité de courant ou le courant en fonction de la tension permet d’obtenir ces paramètres [ ].
• Le courant de court circuit Icc :
C’est le courant qui circule à travers la jonction sous illumination sans application d’une tension (V=0). Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la cellule et dépend de la surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des porteurs et de la température.
• La tension à circuit ouvert Vco :
C’est la tension mesurée lorsque aucun courant ne circule dans le dispositif photo voltaïque, elle dépend de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la température et varie peu avec l’intensité lumineuse. Vco= nkt / qln (1+I/Is)
• Le facteur déforme FF :
La puissance fournie au circuit extérieur par une cellule photovoltaïque sous éclairement dépend de la résistance de charge (résistance externe placée aux
bornes de la cellule).cette puissance est maximale pour un point de fonctionnement Pmax de la courbe courant tension correspondant au deux valeurs : Im le courant compris entre θ et Vco, et Vm la tension comprise entre θ et Vco P max =Vm .Im
Le facteur de forme ou de remplissage (Fill Factor), est défini par le rapport : FF= Pmax / VCO .ICC = Vm Im / VCO .ICC
Plus ce paramètre est élevé, meilleure est l’efficacité de conversion
• Le rendement η :
Le rendement photovoltaïque est un facteur très important pour les composants photovoltaïque, il se définie comme étant le taux de conversion d’énergie des piles solaires.le rendement est aussi le pourcentage de l’énergie solaire qui est convertie en électricité par l’intermédiaire d’une cellule solaire. Il caractérise ces composants et définit leur performance.
Le rendement de conversion photovoltaïque η est alors obtenu par la formule suivante: η = Pmax / Pi = FF x VCO x ICC / Pi.

La filière du silicium cristallin

Représente la majorité de la production mondiale des cellules photovoltaïques. Cette filière se divise dans les sous filières suivantes :

Le Silicium monocristallin

Ce type de cellules est produit à partir d’un lingot de silicium monocristal fabriqué selon le procédé de croissance Czochralski, celui-ci est obtenu par fusion et étirement à basse vitesse. Le rendement moyen des cellules est relativement élevé : entre 16% et 18% pour une température de cellule de 25°C (version commerciale) et environ 24% pour le meilleur rendement obtenu en laboratoire.

Le Silicium poly cristallin

Ce type de cellules est produit à partir d’un lingot de silicium poly cristallin refroidis axialement découpés en plaquettes minces par des scies à fil. La cellule de laboratoire la plus performante atteint cependant 19.8% de rendement [ ] et l’efficacité des modules commerciaux tourne autour de 10-12%.

La filière des couches minces

La fabrication se réalise dans un long tunnel sous vide où les dépôts de couches et les connexions se réalisent automatiquement. Une tendance est aux multicouches associant deux semi-conducteurs de sensibilité spectrale complémentaire pour augmenter les rendements. La filière des couches minces présente également plusieurs sous filières :

Le silicium amorphe (a-Si)

Ce matériau possède une bande interdite de l’ordre de 1.8 eV, qui peut être réduite en implantant de l’hydrogène. Leur rendement actuel atteint 6 à 9% à une température de cellule de 25°C (11% en laboratoire). Concernant les cellules à doubles et triples jonctions, les rendements atteint les 20% en laboratoire. La technologie au silicium amorphe permet de fabriquer des cellules semi transparentes qui laissent passer 10 à 20% du rayonnement incident (Figure I.6).

LES CELLULES A BASE DE CIGS

L’utilisation du composé ternaire CIS dans la fabrication des cellules solaires a donné des rendements de 12 à 15%. Cependant, le rajout du gallium pour l’obtention du quaternaire (CIGS) augmente le rendement à 18%. En effet. Le gallium joue un rôle important dans l’amélioration des dispositifs à base de CIGS, il permet l’élargissement du gap et l’augmentation de la tension de circuit ouvert de manière significative [ ] Seulement, la quantité de gallium ajoutée doit être connue avec précision, car au delà de 50% de Ga dans le CIGS, les performances des dispositifs diminuent brusquement [ ].
Schroeder et al [ ] ont démontré que les monocristaux de type Cu (In1-xGax) Se2 avec θ < x < 1 présentent une augmentation dramatique des accepteurs (figure I.10) à partir de x = 0.5, cela engendre une perte de performances des dispositifs. Ceci montre que le gallium affecte le rapport des donneurs par rapport aux accepteurs en fonction de sa proportion dans le CIGS. Il agit sur les paramètres de maille (a, c) en affectant la taille moyenne des grains qui va donc diminuer au profit des joints de grains, qui sont la cause principale de la limitation du rendement de conversion du matériau poly cristallin (Figure I.10).

ELABORATION DES MONOCRISTAUX

Les cristaux semi-conducteurs sont obtenus à partir de la solidification orientée d’un matériau fondu au moyen d’un germe, Parmi les méthodes d’élaboration des monocristaux, on peut citer : la méthode de Bridgman, la méthode de Czchralski et la méthode de la zone fondue.

Méthode de Bridgman

Dans ce procédé, on distingue deux types de technique

Technique de Bridgman verticale

Le métal est fondu dans un creuset scellé fait de verre ou de quartz. L’ampoule se déplace dans un four dans lequel un gradient de température est établi. Elle passe ainsi progressivement d’une zone chaude au dessus du point de fusion Tf vers une zone froide au dessous du point de fusion. Le composé est solidifié progressivement à partir de l’extrémité inférieure de l’ampoule. En pratique, on utilise un four tubulaire vertical à deux zones de chauffage éventuellement séparées par un déflecteur thermique (Figure II.1)

Technique de Bridgman horizontale

Le principe de la technique de Bridgman horizontale est semblable à celui de la technique verticale. Le matériau en fusion est contenu dans un creuset en forme de « bateau allongé » (Figure II.2), IL est progressivement solidifié à partir d’une extrémité. Cette technique est utilisée, par exemple, pour la production industrielle de monocristaux d’arsenic de gallium (GaAs) dont le diamètre peut atteindre plusieurs centimètres.

Procédé Czchralski

La méthode Czchralski est une technique de synthèse de monocristaux par tirage à partir d’un bain en fusion (Figure II.3). Cette technique haute température, est particulièrement bien adaptée à la croissance de composés semi-conducteurs. C’est une méthode employée industriellement pour le tirage du silicium et du germanium. Cette technique, permet la croissance de cristaux de grande dimension et de très bonne qualité optique avec des vitesses de croissance élevées.

Procédé de la zone flottante

Parmi les méthodes de croissance cristalline, le procédé de la « zone flottante » permet la fabrication de monocristaux d’une très grande pureté. Dans cette technique, une zone fluide, obtenue par fusion, est maintenue en place par sa propre tension superficielle, entre deux barreaux solides, verticaux et colinéaires. Le cylindre supérieur est un solide polycristallin alors que le cylindre inférieur est un monocristal (en générai du silicium) qui croit au fur et a mesure que la zone fondue recristallise (Figure II.4). II suffit alors de déplacer lentement cette zone fondue d’une extrémité du barreau à l’autre en déplaçant la bobine HP pour transporter essentiel des impuretés à l’extrémité du barreau- En procédant à plusieurs balayages successifs, os aboutit progressivement un barreau de pureté convenable- L’extrémité impure est évidemment éliminée.

Mécanosynthèse

Principe

La Mécano synthèse (Mechanical alloying) est une technique de broyage à haute énergie qui permet d’obtenir des poudres nanométriques dont la taille est comprise entre 1 et 100 nn et ce à partir des d’éléments purs. Cette technique a été développée par Benjamin pour produire des alliages à dispersion d’oxydes [ ]- Elle utilise une énergie mécanique pour créer des chocs entre une poudre et des billes placées dans une jarre conduisant à des réactions chimiques et des changements structuraux [ ]. La mécanosynthèse produit en fonction de différents paramètres du broyage, des alliages hors d’équilibre, des amorphes, des solutions solides, phases cristallines métastables, des matériaux nanocristallines, des quasis cristaux.
Cette technique de broyage à sec et à haute énergie, est basée sur deux processus prédominants: la fracture et le soudage (des poudres) se succédant de manière répétitive. a)

Table des matières

Introduction Générale 1
Chapitre I. Généralites sur l’effet photovoltaique
I. Théorie de base des cellulaires solaires
I. 1. Introduction
I. 2. L’effet photovoltaique
I. 3. Principe de la conversion photovoltaïque
I. 3. 1. L’absorption et le rayonnement solaire
I. 3. 2. Cellule photo voltaïque
I. 4. Les caracteristiques d’une photopile solaire
I. 4. 1. Curant de court circuit Icc
I. 4. 2. Tension à circuit ouvert VOC
I. 4. 3. Le facteur déforme FF
I. 4. 4. Rendement η
1. 5 . Filieres technologiques du photo voltaïque
I. 5. 1. La filière du silicium cristallin
I. 5. 2. La filière des couches minces
I. 6 . Les cellules solaires a base des composee chalcopyrite
I. 6. 1. Les cellules a base de CuInGaSe2
I. 6. 2. Les principales composantes de la cellule a base de CuInGaSe2.
I. 7. Propriétés du composé CuInGaSe2
I. 7. 1. Propriétée structurales
I. 7. 1. 1. La sphalérite
I. 7. 1. 2. La chalcopyrite
I. 7. 2. 2. Diagramme de phases
I. 7. 3. Les Défauts
I. 7. 3. 1. Défauts ponctuels
I. 7. 3. 2. Défauts chimiques
I. 7. 4. Propriétés électriques
I. 8. Introduction
I. 8. 1. Elaboration des monocristaux
I. 8. 2. Méthode de Bridgman
I. 8. 2. 1. Technique de Bridgman verticale
I. 8. 2. 2. Technique de Bridgman horizontale
I. 8. 3. Procédé Czochralski
I. 8. 4. Procédé de la zone flottante
I. 9. Mécanosynthèse
I. 9. 1. Principe
I. 9. 2. Mécanisme de broyage à haute énergie
I. 9. 3. Différents types de broyeurs
I. 9. 3. 1. Broyeur attriteur
I. 9. 3. 2. Broyeur planétaire
I. 9. 3. 3. Broyeur vibraroire (Spex 8000)
I. 9. 4. Paramètres influençant la nature du produit obtenu par broyage à haute énergie
I. 9. 4. 1. Paramètres contrôlables
I. 9. 4. 2. Paramètres difficilement contrôlables
I. 9. 5. Mélange et combinaison des métaux
I. 9. 5. 1. Mélange ductile-ductile
I. 9. 5. 2. Mélange ductile-fragile
I. 9. 5. 3. Mélange fragile-fragile
Chapitre II. Elaboration et de Caractérisations du composé CuIn0.25Ga0.75Se2
II. 1. Introduction
II. 2. Pesée des éléments
II. 3. Synthèse des lingots par fusion directe
II. 4. Le Broyage
II. 4. 1. Description du broyeur planétaire
II. 4. 2. Paramètres de broyage
III. 4. 3. Compactage
II. 5. Techniques des caractérisations
II. 5. 1. Diffraction des rayons X
II. 5. 2. Microscopie électronique à balayage
Chapitre III. Resultats et discussion
III. 1. Analyses structurales
III. 1. 1. Calcul des paramètres cristallins
III. 1. 2. Calcul de la taille des cristallites
III. 2. Analyse morphologique
III. 3. Analyses de Compositions
III. 4. Mesures optiques
Conclusion générake

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