Etude et realisation d’une batterie photovoltaïque avec du liquide vegetal de cresson

L’énergie est un élément nécessaire dans la vie humaine. L’homme utilise deux sortes des sources d’énergie : les énergies non renouvelables et les énergies renouvelables. La plus utilisée entre elles, c’est la source combustible car elle occupe les 80% de la production énergétique mondiale [1]. Mais l’utilisation en masse de cette source provoque une conséquence néfaste sur l’environnement et un épuisement de la ressource, car elle est limitée. Leur utilisation dégage des gaz à effet de serre qui entraine le réchauffement climatique. Et cela détruit notre monde [15]. Actuellement, plusieurs sources d’énergies renouvelables, qui pourraient répondre aux besoins énergétiques du monde, sont connues. Prenons comme exemple l’énergie solaire : le soleil est une ressource non limitée et non polluante, alors il est très important de le transformer en énergie utilisable.

L’homme a trouvé un moyen de convertir cette ressource en énergie électrique. C’est à partir d’une cellule photovoltaïque que la réalisation est effective. Au début, les matériaux utilisés pour la fabrication sont inorganiques, et le processus industriel dans leur fabrication provoque une conséquence néfaste sur l’environnement. Mais, les faiblesses de l’énergie solaire sont : il ne pourrait pas défier les ressources fossiles du point de vue rendement et du coût de fabrication élevé. Et pour cela, leur évolution est lente et la technologie qui fonctionne avec lui est très rare vis-à-vis de celui qui fonctionne avec la ressource fossile. Mais face à cet obstacle, les chercheurs ne cessent pas de chercher les moyens de le franchir. Dans les années 80, les chercheurs ont trouvé que les molécules organiques pourraient être aussi utilisées pour fabriquer les cellules photovoltaïques [2]. Ce dernier a plusieurs avantages par rapport au photovoltaïque à base de silicium, comme leur faible coût de production, leur propriété de légèreté et flexibilité, leur facilité de mise en forme, et ces avantages créent une progression significative dans leur domaine. Ce type de cellule photovoltaïque est intéressant, car leur fabrication n’a pas d’impact majeur sur l’environnement, alors la production en masse de cette source d’énergie n’est pas limitée, donc il peut surmonter le problème d’énergie mondiale actuelle. Le rendement de la conversion du rayonnement solaire en courant continu, à partir d’une cellule organique, peut atteindre 15% .

La fabrication des sources d’énergies à partir des matériaux organiques est un nouvel espoir pour la technologie de pointe. C’est la raison de l’existence de ce sujet de mémoire. L’objectif de ce travail est de fabriquer une batterie organique à base de plante verte, à la fois à faible coût de fabrication et facile à réaliser. Cette batterie a une influence sur le rayonnement solaire. Dans cette batterie, les responsables de formation d’électrons sont les réactions d’oxydo-réductions et la photochimique. Les matériels utilisés sont moins chers et faciles à trouver. Mais leur durée de vie est très courte. Les solutions sont de chercher les moyens de l’améliorer, du point de vue rendement et d’augmenter leur durée de vie.

GENERALITE SUR L’ENERGIE

CONTEXTE ENERGETIQUE

La croissance démographique mondiale et la construction de nombreuses industries chaque année augmentent considérablement la demande énergétique dans le monde. L’Agence Internationale d’Energie a annoncé dans l’World Energie Outlook (2014), que la demande énergétique mondiale augmente jusqu’à 37% en 2040 [4]. Mais, le 80% de l’énergie consommée est fossile. Ce dernier assurera seulement la demande énergétique jusqu’à 2040. Mais après cette année, les ressources renouvelables deviendront indispensables dans le domaine de l’énergie.

HISTORIQUE

❖En 1839, un physicien appelé Antoine Becquerel a découvert la théorie de transformation de la lumière solaire en énergie électrique[17]. .
❖En 1875, l’effet photovoltaïque dans le semi-conducteur a été décrit par Werner Von Siemens, mais ce phénomène reste comme une étude dans le laboratoire à cette époque [5].
❖En 1883, Charles Fritts a réalisé la première cellule photovoltaïque [5].
❖En 1954, la première cellule photovoltaïque a été créée par les chercheurs américains, Chapin Pearson et Prince avec un rendement de 6% [5].
❖En 1958, les chercheurs arrivant d’améliorer à 9% le rendement de la cellule. Le premier satellite alimenté par des cellules solaires est lancé dans l’espace [5].
❖En 1985, la première construction de la cellule photovoltaïque organique a vu le jour [18].
❖En 1986, Elle est publiée officiellement dans « applied physics letters » et avait un pourcentage d’efficacité environ 1% [18].
❖En 2006, cette cellule est popularisée avec un rendement de 10%.Les cellules solaires organiques (CSOs) sont parfois appelées la troisième génération de la technologie solaire, après le silicium cristallin, qui est la première, et la technologie des couches minces solaires est la deuxième .

LE SOLEIL

La lumière est une onde électromagnétique, qui peut se propager dans le vide sans support matériel avec une célérité c = 3. 10⁸ m/s. Les ondes lumineuses comprennent des radiations visibles, ultraviolettes et infrarouges, ce qui correspond globalement au spectre solaire .

Le soleil est une étoile considérée comme un corps noir à une température environ 6000°K. Il est composé de gaz constituant 74% d’Hydrogène, 24% d’Hélium et les 2% représentent la plupart des autres atomes existant dans l’univers. Son diamètre est de 1392684km et il se trouve à 149 597 870km de la terre. Son volume est 1300 000 fois que celui de la terre avec une densité de 1.41 ; sa masse est de 330000 fois que celle de la terre, soit 2 milliards de tonnes[19]. Le soleil envoi son rayonnement dans toutes les directions. Et quelque partie de ce rayonnement se dirige vers la terre. Quand le rayonnement solaire traverse l’atmosphère, il subit une transformation et une diminution de son spectre, et aussi, la couche d’ozone absorbe la majeure partie du rayonnement ultra-violet, tandis que le rayonnement infrarouge est absorbé par la vapeur d’eau. Le rayonnement solaire, arrivé au sol, dépend donc de l’épaisseur de l’atmosphère qu’il traverse. Alors, le rayonnement arrivé sur toute la surface de la Terre, n’est pas homogène .

STRUCTURE DE CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES

L’effet photovoltaïque est la conversion directe de l’énergie solaire en énergie électrique. La cellule photovoltaïque organique est en structure sandwich. La structuration de l’interface donneur/accepteur est la première responsable de l’efficacité de conversion. La cellule photovoltaïque organique est constituée de trois éléments : une couche active, une anode transparente qui permet d’autoriser le passage de la lumière vers la couche active et une anode opaque. L’épaisseur de chaque élément est de l’ordre du nanomètre pour garantir leur bonne tenue mécanique entre eux. Ils sont déposés sur un substrat épais, souvent en verre ou en film polymère. L’anode transparente est souvent en oxyde d’indium et d’étain, car il est le meilleur conducteur électronique [9]. La couche active ou l’absorbeur est constitué de donneur et d’accepteur d’électrons formant la jonction p-n. Un polymère à faible largeur de bande interdite est choisi pour obtenir un bon rendement de conversion.

La cellule photovoltaïque organique est classée en deux catégories : les cellules à base de polymères et celles à base de matériaux moléculaires. Il y a deux principales technologies qui dominent le solaire organique : les cellules photovoltaïques organiques et les cellules solaires sensibilisées par un colorant sont appelés cellules solaires de Graëtzel, en référence à son inventeur le professeur M. Graëtzel. Dans ce mémoire de Master en énergie, le PTB7 en conjonction au PC71BM est choisi pour donneur d’électrons [5]. Ils sont plus avantageux car leurs procédés de fabrication sont bien moins consommateurs d’énergie au prix de revient très faible, ils sont plus légers et moins fragiles. Mais ses faiblesses sont sa durée de vie très courte et son rendement de conversion très faible. Les cellules photovoltaïques organiques ont trois structures : structures monocouches, structures bicouches et structures réseaux interpénétrés.

STRUCTURES MONOCOUCHES (JONCTION DE SCHOTTKY)

Les structures monocouches dit jonction de Schottky (jonction métal-semi-conducteur)  utilisent un semi-conducteur organique de type p ou n, en alternant de métal/organique/métal ou ITO/organique/métal. Où l’ITO est une appellation anglaise d’un mélange d’oxyde d’indium (III) et d’oxyde d’étain, il a un caractère transparent, et de conductivité électrique. Le semi-conducteur organique est prisé entre les deux électrodes en métal. La couche active se situe sur l’interface entre les électrodes métalliques et le semi-conducteur organique. L’un, de contact métal/organique, présente un comportement ohmique (aucune barrière de potentiel sur l’interface métal/semiconducteur et le courant peut passer dans tous les sens), et l’autre un comportement rectifiant (car le travail de sortie du semi-conducteur est supérieur au travail de sortie du métal). La dissociation, des excitons, se fait sur l’interface à cause de l’existence du champ électrique, qui joue le rôle de barrière de potentiel .

STRUCTURES BICOUCHES (JONCTION P-N)

Les structures bicouches utilisent deux matériaux différents de type p et n, qui sont en contacts et forment une jonction p-n entre les électrodes. Ici, les interfaces donneur et accepteur sont ohmiques. Alors, la dissociation des excitons se fait sur l’interface donneur/accepteur. La couche active se situe à l’interface entre les deux semi-conducteurs .

STRUCTURE RESEAUX INTERPENETRES

Pour la structure réseaux interpénétrés, les matériaux accepteur et donneur d’électrons sont insérés entre les deux électrodes. Elle est plus avantageuse car la surface de la zone de l’interface entre le donneur et l’accepteur sont plus large que les deux premiers. Alors le taux de la recombinaison des excitons est réduit dans cette structure, car l’interface est presque présent partout dans la cellule .

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : GENERALITE SUR L’ENERGIE
I-1 CONTEXTE ENERGETIQUE
I-2 HISTORIQUE
I-3 LE SOLEIL
I-4 : STRUCTURE DE CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES
I-4-1 STRUCTURES MONOCOUCHES (JONCTION DE SCHOTTKY)
I-4-2 STRUCTURES BICOUCHES (JONCTION P-N)
I-4-3 STRUCTURE RESEAUX INTERPENETRES
I-5-PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
I-5-1 ABSORPTION DES PHOTONS – GENERATION DES EXCITONS
I-5-2 DIFFUSION ET DISSOCIATION DES EXCITONS
I-5-3 TRANSPORT ET COLLECTION DE CHARGES
Chapitre II : MATERIELS ET METHODES
II-1 LES MATERIAUX UTILISES POUR LA FABRICATION DE LA BATTERIE
II-2 METHODE DE FABRICATION DE LA BATTERIE
II-2-1 PREPARATION DES PAQUETTES DE VERRES
II-2-2 FRAGMENTATION
II-2-3 DEPOT DES MATERIAUX SUR LES PLAQUETTES DES VERRES
II-2-4 SECHAGE DES MATERIAUX
II-2-5 EMPLACEMENT DES FILS CONDUCTEURS
II-2-6 COMBINAISON DES DEUX PLAQUETTES
II-3 MODE DE FONCTIONNEMENT A MODELISER
Chapitre III : RESULTATS
III-1 STRUCTURE DE LA BATTERIE SOLAIRE ORGANIQUE
III- 1-1 STRUCTURES MONOCOUCHES
III-1- 2 STRUCTURES BICOUCHES
III-2 MODE DE FONCTIONNEMENT
III-3 COLLECTE DES VALEURS
III-4 INTERPRETATION
III-4 -1 POUR LA TENSION
III-4 -2 POUR LE COURANT
III-5 DISCUSSION
CONCLUSION

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