Soutenance mémoire
Les différentes filières photovoltaïques
On utilise plusieurs technologies dans la conception d’ une cellule photovoltaïque afin de mettre en œuvre l’ effet photovoltaïque, beaucoup d’ entre elles sont encore en phase d’ expérimentation et de développement.
Les principales technologies les plus utilisées actuellement sont : le silicium cristallin avec une très grande utilisation de plus 85% de l’ utilisation mondiale et les couches minces à base de Si amorphe, CIS, de CdTe [11].
Les cellules solaires de la première génération
Ce genre de cellule se caractérise par une seule jonction p-n à base de silicium sous fonne cristalline constituée généralement d’ un substrat en silicium massif réaliser par la technique du tirage et découpage basée sur les wafers de silicium, une technique simple, mais trop coûteuse en plus elle exige un silicium de grande pureté. La première cellule solaire a été réalisée en 1954 par les laboratoires Bell a donné un rendement de 6% qui a été amélioré à 10% par la suite [12].
La filière du silicium représente actuellement près de 90% de la production mondiale de modules, dont l’écrasante majorité à travers les filières multicristallines et monocristallines. Le silicium est l’un des éléments les plus abondants sur terre, il représente le deuxième élément de croûte terrestre, en plus il est non toxique.
Silicium multicristallin (mc-Si)
Le silicium multicristallin (polycristallin) est produit par des techniques de croissance qui permet d’ assurer une structure colonnaire avec de gros cristaux, à lui seul il occupe plus de 57% du marché mondial, il s’agit de la technologie la plus représentée sur le marché vu qu’ il offre un rendement intéressant (11 à 15%) pour des coûts de fabrication modérés. Cependant, le matériau multicristallin est d’ une part contraint et disloqué, et d’une autre part contaminé par des impuretés résiduelles de la matière première de silicium, notamment du fait qu’ il est constitué en grande partie des rebus de l’ industrie électronique [12, 13].
Silicium monocristallin (sc-Si)
Généralement, le silicium monocristallin est obtenu par deux méthodes, le tirage CZ (Czochralski) et FZ (Float Zone) qui nous permet d’ obtenir du silicium monocristallin de qualité microélectronique.
Il bénéfice d’ une implantation importante et durable dans l’ industrie de la microélectronique avec ces excellentes qualités électroniques, environ 30 % du marché, son rendement est supérieur au silicium polycristallin (13 à 19%), mais sa fabrication est plus délicate, car elle nécessite une dépense d’énergie considérable et donc plus coûteuse [13].
Les cellules solaires de la deuxième génération (cellules à couche mince)
Les cellules solaires de la deuxième génération représentent les cellules solaires à base de couche mince ou thin film en anglais ayant une épaisseur inférieure à 5 !-lm, ce type de cellule succédait les cellules à base de silicium cristallin ayant comme principal objectif la réduction des coûts de fabrication, l’ apparition de cette génération de cellule revient à la fin des années quatre-vingts à cause du besoin crucial de l’énergie. La réalisation de ces cellules se fait par des procédées de dépôt sous vide peu coûteuse et qui offrent l’ avantage d’ utiliser d’ autre support que le silicium tel que le verre ou le polymère et qui nécessitent seulement quelques micromètres de silicium. Effectivement, cette technologie de couche mince a permis d’ obtenir des meilleurs rendements.
Généralement dans cette filière on utilise trois matériaux qui permettent d’ avoir les meilleurs rendements qui soient, et qui sont le silicium amorphe, le tellure de cadmium ou bien le diséléniure de cuivre indium [14].
Silicium amorphe (a-Si)
Le silicium amorphe est déposé sur une feuille de verre. D’ ailleurs depuis les années 1970 les chercheurs essayent d’ utiliser du silicium non cristallisé a sont état amorphe, car ce dernier présente beaucoup d’ avantages particulièrement, sa capacité d’ absorption, son bon fonctionnement sous faible éclairement contrairement au silicium cristallin, sa facilité à être déposé sur les grandes surfaces et sa faible consommation d’énergie. Malheureusement il s’avère que ces « couches minces » ont un rendement bien inférieur à celui des filières cristallines (6%), leur utilisation mondiale est d’à peine plus de 3%, en revanche leur coût est proportionnellement plus économique. La première filière « couche mince » a souffert d’ une diminution assez rapide de ses performances au cours de temps (dégradation rapide du rendement), mais actuellement, ces problèmes sont corrigés. Leur utilisation est prioritairement limitée pour les toutes petites puissances nécessaires aux objets portables (montres, calculatrices … ) et pour fabriquer des modules plus ou moins souples [13, 14]. La réalisation des couches minces se fait assez souvent à partir d’ un composé de matériaux. Ces composés sont aussi appelés les chalcogénures, dans ce qui va suivre nous allons voir les deux types les plus connus qui sont : Cds-CdTe (Tellurure de Candmium) et CIS (Séléniure de Cuivre Indium) .
Cellule à base de tellurure de candmium
Jusqu’à présent, la cellule à base de CdTe (Tellurure de Candmium) est considéré comme l’approche la plus prometteuse pour le photovoltaïque terrestre, du fait de ses propriétés optiques optimales. Elle se caractérise par une bande interdite directe de 1,45 eV parfaitement adaptée au spectre solaire, en outre son très grand coefficient absorption fait que la quasi-totalité du spectre est absorbé sur une profondeur de 2 /Jm, néanmoins les problèmes d’ environnement associé à l’ utilisation du candmium ont largement freiné les tentatives de développement dans cette filière [14, 15].
Cellule à base de séléniure de cuivre indium
Doté d’un coefficient d’absorption 100 à 1000 fois plus grand que celui du silicium cristallin, une épaisseur de 1,5-2 !lm est suffisante pour absorber la partie utile du spectre solaire. Le matériau CIS (Séléniure de Cuivre Indium) et aussi considéré comme un des plus prometteurs. Ce composé de type I-III-VI et de structure chalcopyrite, présente un rendement théorique des plus élevés parmi les couches minces qui se situe autour de 25%, avec à un plus cher coût de fabrication, cependant il a une faible bande interdite (1 ,02 eV) comparé au cadmium.
Aussi, les travaux sur les cellules solaires à base de CIS se font désormais sur des alliages quaternaires Cu(lnGa)Se2 (CIGS). Qui ont récemment atteint des rendements record de 18.8% en laboratoire. En outre, avec des alliages d’JnGaN on aura une bande interdite plus large que celle de CIS grâce à l’introduction du Ga, qui se substitue partiellement à ln [15- 17].
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 – Le photovoltaïque
1.1 Énergie solaire
l.2 Le rôle des sources renouvelables de l’énergie dans la société
1.3 Cellule solaire photovoltaïque
1.4 Description du principe de fonctionnement d’ une cellule solaire
1.5 Module photovoltaïque
1.6 Effet photovoltaïque
1.7 Les différentes filières photovoltaïques
1.7.1 Les cellules solaires de la première génération
1.7.2 Les cellules solaires de la deuxième génération (cellules à
couche mince)
1. 7.3 Les cellules solaires de la troisième génération
1.8 Conclusion
Chapitre 2 – Nanotechnologie
2.1 Introduction
2.2 Historique
2.3 Définition
2.4 Nanomatériaux
2.4.1 Propriétés magnétiques des nanomatériaux
2.4.2 Propriétés optiques des nanomatériaux
2.5 Domaine et applications des nanotechnologies
2.5.1 Industrie automobile et aéronautique
2.5.2 Nanoélectronique
2.5.3 Biotechnologies
2.5.4 Domaine biomédical
2.5.5 Secteur spatial et militaire
2.5.6 Secteur de l’énergie et de l’environnement
2.6 Nano matériaux utilisés dans la conversion de l’énergie
2.6.1 Le champ d’application des nanostructures dans le
photovoltaïque
2.6.2 Ingénierie optique à base de nanostructures
2.7 Plasmonique
2.8 Conclusion
Chapitre 3 – Techniques de réalisation des cellules photovoltaïques à base de
couches minces
3.1 Introduction
3.2 Les couches Ininces
3.2.1 Définition
3.2.2 But et caractéristiques des couches minces
3.3 Le silicium amorphe
3.3.1 Méthode de dépôt
3.3.2 Structure et réalisation de la cellule amorphe
3.3.3 Modules à multiples jonctions
3.4 Le silicium poly cristallin en couche mince
3.5 Le Tellurure de cadmium (CdTe)
3.5.1 L’ hétérojonction CdS-CdTe
3.5.2 Méthodes de dépôt
3.6 L’alliage Cuivre-indiumlGallium-sélénium
3.6.1 Hétérojonction CIS-CdS
3.6.2 Méthode de dépôt
3.7 Conclusion
Chapitre 4 – Étude du matériau InGaN
4.1 Introduction
4.2 Historique de (InGaN)
4.3 Description de (InGaN)
4.4 Caractéristique structurelle
4.4.1 Structure cristalline
4.4.2 Propriétés électriques
4.4.3 Propriétés optiques
4.4.4 Propriétés thermiques
4.4.5 Dopage
4.5 Nanostructure
4.6 Cellules photovoltaïques à base d’lnGaN
4.7 Intérêt de l’InGaN pour les cellules solaires
4.7.1 Simple jonction
4.7.2 Hétérojonctions
4.7.3 Multi-jonctions
4.8 Rendement théorique maximum
4.9 Conclusion
Chapitre 5 – Simulations des cellules solaires à base d’ lnGaN
5.1 Introduction
5.2 Présentation du logiciel de simulation COMSOL Multiphysics
5.3 Design et description du modèle utilisé
5.3.1 Première partie
5.3.2 Deuxième partie
5.4 Optimisation des paramètres
5.4.1 Variation de l’épaisseur
5.4.2 Variation du dopage
5.4.3 Variation de la densité des défauts
5.4.4 Variation de la concentration d’ indium
5.4.5 Texturation
5.5 Conclusion
Conclusion générale
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