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Dans les dernières années, la demande énergétique mondiale a augmenté sans cesse à cause de l’accroissement de la population et aussi de la croissance économique des pays émergents. La consommation énergétique mondiale est couverte principalement par les énergies d’origines fossiles (pétrole, gaz, charbon). Cette dépendance est responsable des émissions des gaz à effet de serre (GES) qui causent le réchauffement climatique.
L’énergie solaire est une source d’énergie illimitée, sans aucune émission des GES. Elle constitue la ressource énergétique la plus abondante et de plus, elle est relativement bien répartie sur terre, chaque mètre carré reçoit en moyenne une puissance de 342 W. L’énergie solaire représente une meilleure alternative d’utilisation d’énergie propre. Elle pourrait être exploitée selon deux techniques principales : thermique ou voltaïque. L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique issue d’une conversion directe du rayonnement solaire. C’est une énergie inépuisable et non polluante, elle pourrait être installée dans n’importe quelle région et son utilisation ne nécessite que peu d’entretien régulier. C’est une technique applicable dans plusieurs secteurs, elle a comme avantages (El Jouad, 2016) :
• le coût : l’énergie deviendra presque gratuite une fois le prix des équipements est amorti;
• l’autonomie : avec la technologie de stockage d’énergie, le système photovoltaïque constitue un réseau autonome;
• la quantité : l’énergie photovoltaïque est illimitée;
• l’écologie : l’énergie permet de diminuer les émissions des GES.
L’énergie solaire photovoltaïque est une technique qui réponde efficacement aux enjeux énergétiques et environnementaux, et représente une approche réaliste qui favorise le développement durable. La technologie photovoltaïque est basée sur certains matériaux semiconducteurs. Actuellement, ce sont les technologies photovoltaïques à base de silicium cristallin qui dominent le marché du photovoltaïque. Le silicium à profiter de plusieurs décennies de développement ce qui a rendu sa technologie plus mature et la durée de vie moyenne de ses panneaux dépassent au moins 20 ans. Cependant, l’efficacité maximale du silicium est limitée et parmi les raisons de cette limite on trouve les pertes par thermalisation. Celles-ci sont dues à l’absorption de photons dont l’énergie est plus grande que celle de la bande interdite (BG) du silicium. Pour réduire ces pertes par thermalisation, une des stratégies utilisées est de fabriquer des cellules multijonctions (constituées de cellules de bandes interdites différentes). Ces cellules sont juxtaposées de manière à ce que les jonctions ayant des BG plus grands soient situées à l’avant, ce qui permet d’augmenter l’efficacité de la cellule sur une plage plus large du spectre solaire. Cependant, les techniques conventionnelles utilisées pour fabriquer les cellules multijonctions sont coûteuses, ce qui limite grandement leurs utilisations à grande échelle. Une des solutions pour diminuer ces coûts de fabrication est la technique d’impression à partir de solution. Celle-ci consiste à fabriquer par impression une cellule polymère ou autre à grande bande d’énergie au-dessous d’une cellule de silicium. Cette technique permet d’augmenter l’efficacité de conversion de la cellule tandem silicium /cellule imprimée et de diminuer les coûts de fabrication de la cellule multijonction.
L’effet photovoltaïque a été découvert par le physicien Alexandre Edmond Becquerel. Il a expérimenté ce phénomène en éclairant des électrodes de platines recouvertes de chlorure ou de bromure d’argent (AgCl-AgBr) dans un liquide, il a constaté la présence d’un photo-courant (Spanggaard & Krebs, 2004). Smith et Adam ont été les premiers à rédiger des rapports sur la photoconductivité du matériau sélénium respectivement en 1873 et 1876. En 1905, Albert Einstein a expliqué le phénomène photoélectrique ce qui lui a permis d’obtenir le prix Nobel de physique en 1921. L’anthracène (C4H10) est le premier composé organique dans lequel la photoconductivité a été observée respectivement par Pochettinno en 1906 et par Volmer en 1913 (Alem-Boudjemline, 2004) . En 1954, les chercheurs de Bell Laboraterie ont développé pour la première fois une cellule solaire inorganique avec une efficacité de 4% (Chodos, 2009; Spanggaard & Krebs, 2004). En 1958, Hoffman électronique réalise des cellules photovoltaïques avec une efficacité de 9 %, puis 2 ans plus tard, elle réalise des cellules photovoltaïques efficaces de 14 % (El Jouad, 2016). À la fin des années cinquante, les photorécepteurs à base des composés organiques sont largement utilisés dans des systèmes d’imagerie. Aussi, il a été découvert dans les années 60 que certains colorants usuels tels que le bleu de méthylène possèdent des propriétés semi-conductrices (Alem-Boudjemline, 2004). De plus, l’effet photovoltaïque a été constaté dans plusieurs molécules biologiques telles que les carotènes, les chlorophylles et les porphyrines (Spanggaard & Krebs, 2004). L’intérêt scientifique et le potentiel commercial ont multiplié les recherches dans le domaine du photovoltaïque. L’efficacité de conversion des cellules solaires s’améliore au fil des années jusqu’à ce que le rendement des cellules solaires cristallines atteigne 24 %. Aujourd’hui, les cellules solaires à base du silicium (Si) dominent le marché des cellules photovoltaïques avec leur plus grande efficacité et de leur grande stabilité. Le développement qui a connu la technologie photovoltaïque à base de silicium a fait diminuer grandement les coûts de production et le marché mondial du PV a augmenté considérablement au cours des 20 dernières années. Une des solutions pour réduire encore les coûts et augmenter l’efficacité est d’associer le silicium avec la pérovskite dans une configuration tandem capable d’offrir des rendements élevés. En effet, la pérovskite avec sa bande interdite variable peut se coupler facilement avec le silicium. La technologie des cellules pérovskites est attrayante pour plusieurs raisons, technologie à basse température, faible coût, dispositifs souples, matière première variée.
Malgré les avancées et les progrès spectaculaires, la photovoltaïque organique-inorganique est toujours à la phase de recherche et développement en laboratoire. Cependant, le défi de la commercialisation de cette technologie dépendra essentiellement du développement de procédé à faible coût et aussi d’un meilleur rendement de conversion.
Spectre solaire
Le soleil est considéré comme un corps noir. Il absorbe la totalité des radiations électromagnétiques et émet en conséquence des radiations de toutes énergies y compris dans le domaine visible. L’intensité maximale du spectre solaire est située à 500 nm . Le soleil rayonne dans l’espace en ultraviolet (UV), lumière visible et infrarouge (IR), et ces émissions couvrent tout le spectre électromagnétique. Cependant, l’atmosphère joue le rôle d’un filtre pour protéger la terre des émissions dangereuses (Malherbe, 2019). Plusieurs facteurs influent le spectre solaire (Fahrenbruch & Bube, 2012) :
1. Diffusion de Raleigh responsable de la couleur bleue du ciel;
2. Absorption par l’oxygène (O2), azote (N2) et le zone O3;
3. Diffusion des aérosols;
4. Réfraction due aux variations de l’indice de réfraction avec la température et la pression.
L’intensité du rayonnement solaire est réduite sur terre à cause des pertes causées par l’absorption atmosphérique, cette perte d’énergie est appelée la masse d’air (AM). La désignation de AM0 correspond à la masse d’air qui arrive au-dessus de l’atmosphère, cependant AM1.5 correspond à un spectre solaire sous un angle d’inclinaison de 48.2° par rapport au zénith, équivalent à un flux énergétique de puissance de 1000 W/m2 (100 mW/cm² ). Grâce à des lampes associées à des lentilles, le spectre solaire à la surface de la Terre est simulé en laboratoire (Verrier, 2017) ce qui permet de reproduire le spectre AM1.5 utilisé comme un standard industriel dans la caractérisation des cellules solaires.
Absorption de la lumière
Le principe fondamental des cellules solaires repose sur le phénomène de l’absorption. Les cellules solaires sont conçues pour convertir les rayons solaires absorbés en énergie électrique. La lumière absorbée par le matériau semiconducteur permet de créer des pairs électrons-trous qui vont se séparer sous l’effet du champ électrique de la jonction p-n, ensuite ces charges sont transportées vers les électrodes puis collectées. En effet, pour avoir un rendement plus élevé, le matériau devrait avoir un coefficient d’absorption plus élevé et un faible coefficient de réflexion.
INTRODUCTION |
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