Soutenance mémoire
L’augmentation importante de la consommation énergétique mondiale nous impose à nous et à nos futures générations le besoin de se forger une nouvelle stratégie énergétique. Pour respecter l’environnement global, elle devra être plus durable, plus propre et plus efficace. À l’heure actuelle, l’exploitation des énergies renouvelables engendre très peu de déchets et d’émissions polluantes. Cependant, leurs pouvoirs énergétiques restent toujours beaucoup plus faibles face aux énergies conventionnelles. Parmi ces futures énergies, le solaire photovoltaïque (PV) est considéré comme l’une des voies les plus prometteuses. Ainsi, le marché du photovoltaïque connait un développement fulgurant depuis 2003 avec un taux d’accroissement important. Cette augmentation est fortement soutenue par l’Union Européenne, qui s’est fixée l’objectif de porter à 20% sa production en énergie renouvelable d’ici 2020. Sur cette même lancée, le Maroc entend augmenter sa production en électricité provenant des énergies renouvelables. Elle devra ainsi contribuer à 42% de la puissance électrique installée en 2020 .
Le marché mondial du photovoltaïque est dominé par la technologie silicium cristallin. En effet, les cellules de première génération affichent de très bons rendements de conversion, mais elles restent encore très coûteuses. Ce qui freine vraiment leurs développements est le coût élevé de l’énergie consommée par les procédés utilisés lors de leur fabrication, ainsi que la quantité importante de matière utilisée pour leur réalisation. Pour lever ces verrous et réduire le coût de revient des photopiles, les nouvelles technologies photovoltaïques émergentes sont au cœur d’un développement intensif et cherchent à accroitre leur part du marché, actuellement très concurrentiel. Ainsi, les cellules photovoltaïques en couches minces restent parmi les filières les plus prometteuses et représentent un réel intérêt à la fois dans les laboratoires de recherches et chez les industriels. Cependant, leur développement dépend essentiellement du choix approprié du matériau utilisé, de sa disponibilité, de son respect de l’environnement et de la simplicité du procédé employé pour son élaboration et sa mise en forme. Dans ce contexte, le composé Cu2ZnSnS4 (CZTS) est parmi les candidats les plus prometteurs. Son rendement de conversion record en laboratoire est actuellement de 12.6 %. Cependant, cette valeur reste faible par rapport aux autres filières concurrentes telles que le CdTe et le CuInxGa1-xSe2 (CIGS). Par ailleurs, le matériau CZTS a de grands atouts car il tire ses avantages des éléments chimiques qui le constituent. Ils sont beaucoup moins chers et non toxiques en raison de la rareté et la cherté des éléments qu’utilisent les autres technologies concurrentes, tels que l’Indium, le Gallium, le Tellure et le Cadmium. Selon IBM, dans les années à venir, les cellules à base de CZTS pourraient assurer à elles seules une production annuelle cinq fois plus importante (500 GW/an) que les cellules à base de CIGS.
Généralités sur la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire
Historique et évolution de l’énergie solaire photovoltaïque
Le mot « photovoltaïque » est défini comme l’association de deux termes : « photo » qui exprime en grec la lumière et « volta » relatif au nom du célèbre physicien Alessandro Volta, inventeur de la première pile électrochimique en 1800 [1]. L’effet photovoltaïque (PV) fut découvert pour la première fois en 1839 par le français Antoine-César Becquerel, qui constata l’apparition de phénomènes électriques lorsqu’un matériau semi-conducteur (SC) est soumis à un rayonnement lumineux [2]. Il a fallu attendre presque un siècle pour que l’équipe du laboratoire de la compagnie BELL menée par Chapin, Pearson et Prince réalise en 1954 la première cellule solaire PV à base de silicium possédant un rendement de 4% [3]. Depuis lors, l’énergie solaire PV a connu un véritable développement pour imaginer les panneaux solaires PV les plus performants. En parallèle, cette technologie a suscité un intérêt particulier chez les physiciens de l’industrie spatiale, qui avaient besoin d’une source d’énergie sans limites pour alimenter leurs satellites. Le spatial devint ainsi un véritable banc d’essai de la technologie PV. C’est en 1959 que le premier satellite américain équipé de panneaux solaires PV est mis en orbite [4].
Notions de base sur la conversion photovoltaïque
Dans le cas le plus simple, une cellule PV peut être assimilée à une diode idéale (jonction PN idéale) qui permet de convertir directement l’énergie lumineuse en électricité. Il est essentiel de rappeler quelques notions de base afin de comprendre son principe de fonctionnement, en particulier sur les matériaux semi-conducteurs et sur le fonctionnement d’une jonction PN .
Matériau semi-conducteur
Un semi-conducteur est un matériau qui a une conductivité électrique intermédiaire entre les matériaux conducteurs et les matériaux isolants. La bande d’énergie appelée bande interdite (ou gap) Eg d’un semi-conducteur est de quelques eV. Elle est définie comme étant l’écart d’énergie entre le maximum de la bande de valence BV et le minimum de la bande de conduction BC d’un matériau. Lorsque l’énergie (comme la lumière ou la chaleur) est absorbée par un semiconducteur, les électrons sont excités de la bande de valence vers la bande de conduction. Ceci entraîne l’apparition de trous dans la bande de valence et d’électrons libres dans la bande de conduction, on parle de la création d’une paire électron-trou. Dans le cas d’un matériau isolant, la largeur de la bande interdite est très grande. Par conséquent, les électrons de la bande de valence n’arrivent plus à franchir la bande interdite du matériau et ne peuvent plus conduire l’électricité.
Il existe plusieurs façons de classer les matériaux semi-conducteurs. Sur la base de leur nature, ils peuvent être divisés en semi-conducteurs organiques et semi-conducteurs inorganiques. La plupart des semi-conducteurs sont des solides cristallins inorganiques, cependant, d’autres semi-conducteurs de type organique attirent l’attention des chercheurs pour réaliser des cellules solaires PV de 3ème génération [8]. Selon la composition, les matériaux semiconducteurs peuvent être classés en semi-conducteurs élémentaires et semi-conducteurs composés. Les semi-conducteurs élémentaires sont des matériaux constitués d’un seul élément, comme le silicium et le germanium. Les semi-conducteurs composés quant à eux sont constitués de deux éléments ou plus (binaires, ternaires, quaternaires etc…), à titre d’exemple : SiC, ZnO, CuInSe2, et Cu2ZnSnS4 etc…
Une autre classification est basée sur la pureté du semi-conducteur. On parle alors de semi-conducteur intrinsèque (pur sans aucune impureté et dépourvu de défauts) ou de semiconducteur extrinsèques (non pur avec la présence d’impuretés et de défauts). L’ajout intentionnel d’une impureté s’appelle un « dopage ». Il est utilisé d’une manière à altérer le comportement électronique d’un matériau semi-conducteur. Selon le type de dopage, les semi-conducteurs extrinsèques sont classés comme type-n ou type-p. Lorsqu’un semi-conducteur dopé contient un excès de trous chargés positivement, il est de type-p dont le niveau de Fermi se positionne près de la bande de valence. Dans le cas où le semi-conducteur contient un excès d’électrons libres, il est de type-n et son niveau de Fermi est proche de la bande de conduction. Le niveau de Fermi peut être considéré comme étant le plus haut niveau d’énergie dans la bande interdite que les électrons peuvent occuper à une température de 0 K. Sa position est relative à la concentration des porteurs de charges. Dans le cas d’un semi-conducteur intrinsèque, le niveau de fermi se trouve à égale distance de la bande de valence et de la bande de conduction.
|
Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I: Généralités sur les cellules solaires en couches minces & propriétés fondamentales du composé Cu2SnS3
Introduction
I.Généralités sur la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire
I.1. Historique et évolution de l’énergie solaire photovoltaïque
I.2. Notions de base sur la conversion photovoltaïque
I.2.1. Matériau semi-conducteur
I.2.2. Jonction PN et effet photovoltaïque
I.3. Technologies photovoltaïques
I.3.1. La 1ère génération
I.3.2. La 2ème génération
I.3.3. La 3ème génération
I.4. Evolutions des dispositifs photovoltaïques existants
I.5. Développement de nouveaux composés à faible coût et non toxique pour le PV en couches minces
II. Cellule PV à base de composé Cu2SnS3
II.1. État de l’art du composé Cu2SnS3
II.1.1. Étude du système ternaire Cu-Sn-S
II.1.2. Structure cristalline du matériau Cu2SnS3
II.1.3. Propriétés optiques et électriques du Cu2SnS3
II.2. Cellule solaire photovoltaïque à base de Cu2SnS3
II.2.1. Aperçu général et schéma conventionnel d’une cellule PV à base de Cu2SnS3
II.2.2. Record des cellules Cu2SnS3 et amélioration des rendements
II.2.3. Sulfuration de la couche absorbante de Cu2SnS3
II.3. Techniques d’élaboration de couches minces de Cu2SnS3
II.3.1. La pulvérisation cathodique
II.3.2. L’évaporation thermique
II.3.3. L’évaporation par faisceau d’électrons
II.3.4. Dépôt chimique en phase vapeur à courte distance : CVD à courte distance
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE II: État de l’Art des nanoparticules de Cu2SnS3
Introduction
I. Etat de l’art des nanomatériaux
I.1. Historique
I.2. Définitions et généralités sur les nanomatériaux
I.3. De nouvelles propriétés à l’échelle nanométrique
I.4. Synthèse des nanomatériaux
I.4.1. Approches de synthèse des nanomatériaux
I.4.2. Principaux procédés de synthèse des nanomatériaux
I.4.3. Synthèse des nanoparticules par voie hydrothermale
II. Synthèse chimique du composé Cu2SnS3 par voie solvothermale
II.1. Mécanismes réactionnels de formation du Cu2SnS3 et morphologies associées
II.2. Effets des paramètres expérimentaux
II.2.1. Effet du solvant
II.2.2. Effet des précurseurs
II.2.3. Effet de la température
II.3. Applications des nanoparticules de Cu2SnS3
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE III: Synthèse de nanoparticules de Cu2SnS3 par voie hydrothermale: Méthodologie, résultats et discussions
Introduction
I. Synthèse des nanoparticules de Cu2SnS3
I.1. Conditions de synthèse et choix des réactifs
I.2. Protocole et dispositifs expérimentaux
II. Caractérisation structurale, morphologique et optique
II.1. Analyse de la composition et de la structure par EDS, DRX et Spectroscopie Raman
II.2. Analyse morphologique par MEB et MET
II.3. Analyse optique par spectroscopie UV-Visible-NIR
II.4. Proposition d’un mécanisme de formation de Cu2SnS3 par voie hydrothermale
III. Caractérisation électrique par spectroscopie d’impédance
III.1. Préparation de l’échantillon
III.2. Résultats obtenus et discussion
Conclusion
Références bibliographiques
CONCLUSION GÉNÉRALE
Télécharger le rapport complet
