Soutenance mémoire
Généralités
Situation énergétique mondiale
L’augmentation des besoins en énergie est certaine du fait de la hausse de la population. Elle l’est plus encore en raison de la croissance de la population urbaine, dont le niveau de vie et la consommation énergétique sont plus élevés que ceux de la population rurale. L’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) estime une augmentation de 1,5% par an de la demande énergétique mondiale jusqu’en 2030. D’après ces estimations, la demande énergétique de 2030 représenterait le double de 2008.
Cependant la consommation d’énergie est fortement dominée par les énergies fossiles, cellesci représentent en effet 80% des sources d’énergies primaires. Ces énergies sont inégalement réparties et ne sont pas éternelles. De plus, la production énergétique est également responsable des deux tiers environ des émissions de gaz à effet de serre [1]. La question que tout le monde se pose est la suivante : comment répondre à la croissance de la demande énergétique, tout en inscrivant dans la lutte contre le changement climatique ? Ces problèmes sont très amoindris en ce qui concerne les énergies renouvelables. Car ces types d’énergies sont en perpétuel renouvellement, mieux réparties sur le globe et génèrent moins de gaz à effet de serre. L’apparition de telles énergies au cours des dernières années a largement incite les enquêteurs, responsables politiques et chefs de file du secteur à comprendre la viabilité économique de la nouvelle source d’énergie [2,3]. En effet, un rapport du PNUD (programme des nations unies pour le développement) estime une hausse de 32% des investissements mondiaux dans les énergies renouvelables entre 2009 et 2010. En 2010, 211milliards de dollars auraient été investis dans les énergies renouvelables, contre 160 milliards de dollars en 2009. Le développement de fermes éoliennes en Chine, et l’installation à petite échelle de panneaux solaires sur les toits en Europe ont fortement contribué à cette hausse. L’énergie renouvelable connait aussi une forte progression dans les pays africains. Le Sénégal poursuit son ambitieux plan de développement des énergies renouvelables, malgré plusieurs découvertes majeures d’hydrocarbure. Avec un potentiel solaire exceptionnel (production moyenne annuelle spécifique nette de 1650 kWh/kWc), un potentiel éolien intéressant (vitesse moyenne du vent comprise entre 5,7 et 6m/s sur la bande cote) et un gisement de biomasse non négligeable (environ 331,3 millions de m3), le Sénégal entend être le pionnier de la transition énergétique en Afrique de l’ouest [4]. Les énergies renouvelables dépendent toutefois de divers conditions et aléas climatiques (vent, soleil, eau, etc…). Ainsi, la diversification des mix énergétiques s’impose. La nouvelle composition du bouquet énergétique variera d’un pays à l’autre, en fonction des divers potentiels et contraintes nationales. Pour répondre au défi énergétique, il est également important de s’intéresser à la maitrise de l’énergie, par la mise en place de stratégies d’efficacité énergétique. La maitrise de l’énergie passe notamment par l’adoption de nouvelles technologies moins énergivores et par le changement de comportements. Parmi les énergies renouvelables, un candidat de choix est le photovoltaïque.
Énergie photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque est l’une des types d’énergie les plus en croissance et est devenue un enjeu mondial. On peut constater que les définitions présentées par les différents chercheurs sur l’énergie solaire photovoltaïque ont des termes en commun, à savoir : « électricité », « rayonnement solaire » « génération directe », « conversion ». Ainsi nous pouvons adopter comme concept d’énergie solaire photovoltaïque la définition suivante : électricité obtenue directement de la conversion de l’énergie solaire. L’effet photovoltaïque, définit comme étant la conversion de la lumière en électricité, a été découvert en 1839 par un physicien français du nom de Alexandre Edmond Becquerel, en irradiant une électrode en argent dans un électrolyte, il obtint une tension électrique. Ce n’est qu’en 1875 que le physicien Werner VON Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Et la première cellule solaire fut construite en 1883 par Charles Frits. Cependant le rendement de cette cellule étant faible, empêcha à l’époque son utilisation. C’est à la fin de la seconde guerre mondiale, 1954 précisément, que trois chercheurs américains (Chapin, Pearson et Prince) Mettent au point une cellule solaire à haute rendement à base de silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell. Le mot photovoltaïque est composé du préfixe photo, du grec ancien photos, génitif singulier de phỗs («lumière») et de voltaïque dont l’origine est le nom du scientifique italien Alessandro Volta qui a découvert la pile électrique.
Équipements du système photovoltaïque
Un système solaire photovoltaïque typique se compose de quatre éléments de base : module photovoltaïque, contrôleur de charge, onduleur et batterie lorsque cela est nécessaire (Fig.4). Le module photovoltaïque est constitué de cellules photovoltaïques, c’est à dire des surfaces génératrices d’électricité, qui convertissent directement l’énergie solaire en électricité. Ces surfaces ne comportent aucune pièce mobile susceptible de s’user ou de tomber en panne et fonctionnent sans carburant, sans vibrations, sans bruit et sans nuire à l’environnement [8-11]. Le contrôleur de charge, quant à lui, a pour fonction d’éviter toute surcharge ou décharge complète des batteries, augmentant ainsi leur durée de vie.
L’onduleur, à son tour, est responsable de la conversion de l’énergie générée par les panneaux photovoltaïques (générant de l’électricité en continu-continu) en courant alternatif, niveaux de tension en courant alternatif et fréquence du réseau. Les batteries sont utilisées dans les systèmes photovoltaïques pour stocker le surplus produit par les modules et être utilisé la nuit ou les jours peu ensoleillés ou par temps couvert [8,10].
Marché photovoltaïque
En raison de sa perspective de croissance rapide et des investissements élevés que cela implique, le marché de l’énergie photovoltaïque est de plus en plus disputé dans le monde, notamment en Europe, en Chine et aux États-Unis. En 2000 et 2015, le taux de croissance des installations photovoltaïques a été de 41%. La Fig.5a montre que la chine et Taïwan développent depuis 2006 l’industrie photovoltaïque avec des taux de croissance élevés. À la fin de 2015 sa part de marché représentait environ 71% des ventes mondiales. Certains des plus grands pays d’Europe, tels que l’Allemagne, le Danemark et l’Espagne, ainsi que les pays asiatiques tels que la Chine et Taiwan, ont utilisé le tarif de rachat garanti, Un mécanisme politique visant à encourager les consommateurs à investir dans la micro génération renouvelable. Par ailleurs, les États-Unis, le royaume uni, le japon et la Suède ont utilisé la norme RPS (Renewable Portfolio Standard), une règlementation qui exige qu’une partie de l’énergie consommée soit issu de sources renouvelables. Pendant ce temps, la Corée du sud a modifié ses plans en matière de technologie d’énergie renouvelable afin de réduire au minimum la charge financière qui pesé sur le gouvernement .
Le marché de la photovoltaïque est aujourd’hui partagé par une grande variété de technologies photovoltaïques de manière inégale. Leurs taux de progrès affectent la dynamique du marché. Elles sont classées en trois (3) filières : la filière silicium, la filière des couches minces et la filière de troisième génération. Concernant les cellules à silicium, elles ont un excellent rendement de conversion. Cependant, elles ont des couts de fabrication élevés, des besoins en énergie plus élevés au cours de leur cycle de vie, des temps de retour d’énergie plus longs [13]. Pour les cellules minces, elle nécessite beaucoup moins de matériau de fabrication du semi conducteur pour pouvoir absorber la même quantité de lumière solaire, jusqu’à 99% au moins que les cellules solaires cristallines. L’utilisation de ces cellules a augmenté ces dernières années en raison de sa grande flexibilité, de son installation facile, de son efficacité en lumière diffuse d’environ 12% et de sa durée de vie 25 ans [9]. Enfin pour les cellules de troisième génération on note : les cellules photovoltaïques organiques (OPV), les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSC) et les cellules solaires pérovskite (PSC). Ces dernières connaissent leur émergence en 2010 suite aux premiers travaux publiés en 2009 par Miyasaka et al. Depuis de nombreux recherches ont été faites se traduisant par une augmentation du rendement allant de 9.7 % à 22.1 %. De plus les matériaux pérovskites hybrides possèdent les propriétés des matériaux inorganiques telles qu’une mobilité de porteurs élevées. Ces matériaux à base de pérovskite présentent aussi les avantages des matériaux organiques, tels qu’une absorption de la lumière modulable, l’ajustement de la composition du matériau pour l’alignement des bandes d’énergie et la possibilité de croitre en solution [14]. Ces types de cellules représentent une alternative aux cellules photovoltaïques en silicium.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. État de l’art
Introduction
I. Généralités
1. Situation énergétique mondiale
2. Énergie photovoltaïque
2.1. Principe de conversion photovoltaïque
2-2. Équipements du système photovoltaïque
2-3. Marché photovoltaïque
II. Les cellules solaires à base de pérovskite
II.1. Le matériau pérovskite
II.1.1 Structure cristalline de la pérovskite
II.1.2. Propriétés optoélectroniques (exemple du APbX3)
II.2. Les différentes techniques de dépôt de la pérovskite
II.2.1. Trempage (« dip coating »)
II.2.2. Pulvérisation (spray coating)
II.2.3. Centrifugation (spin coating)
Conclusion
Chapitre II. Synthèse et caractérisation de la Pérovskite
Introduction
I Synthèse et dépôt de la pérovskite
I.1 Préparation des substrats
I.2. Dépôt de la pérovskite en solution
I.2.1 Dissolution des précurseurs
I.2.2. Dépôt en une étape
I.3. Préparation du Spiro-OMETAD
II Caractérisation de la pérovskite
II.1 Caractérisations structurales
Diffractions de rayons X
II.1.2 Microscopie électronique à balayage (MEB)
II.2 Caractérisations optiques
II.2.1 Spectroscopie UV/ visible
II.2.2 Photoluminescence
Conclusion
Chapitre III. Résultats et discussion
Introduction
I. Facteur de tolérance
II. Analyse de l’impact de l’intégration du Rb+ dans les cellules solaires à base de pérovskite
II.1. Optimisation
II.2. Analyse par UV-vis et photoluminescence
II.3. Analyse par DRX
II.4. Analyse par microscopie électronique à balayage
III. Étude des dispositifs RbCsMAFA
1) Détermination de la tension a circuit ouvert (VOC)
III.2. Mesure du rendement quantique d’électroluminescence (EQEEL)
III.3. Comportement de transport de charges
III.4. Stabilité thermique
Conclusion
Conclusion générale
References
