Simulation sous Scaps des d´efauts accepteurs du mat´eriau de dis´el´eniure, de cuivre, d’indium

Simulation sous Scaps des défauts accepteurs
du matériau de diséléniure, de cuivre, d’indium

Les propriétés générales et applications des cellules photovolta¨ıques 

Les énergies renouvelables C’est des sources d’énergie comme : le soleil, le vent, le courant d’eau, la biomasse ou la chaleur naturelle. Ils donnent après transformation d’énergie mécanique, de l’ électricité, de chaleur ou combustible ; elles se régénèrent assez rapidement et sont inépuisables. Elles permettent aussi de réduire la consommation de combustibles d’origine fossile, et par conséquent de réduire les impacts environnementaux et socio- économiques de nos besoins en énergie. Ces énergies renouvelables sont exploitées grˆace à différentes techniques comme [2] : ◦ Eolien (Vent ´ ⇒ énergie mécanique ⇒ électricité) ◦ Hydro- énergie (cours d’eau ou courant marin ou vague ⇒ énergique mécanique ⇒ électricité) ◦ Culture énergétique (biomasse ⇒ carburant) ◦ Solaire photovolta¨ıque (soleil ⇒ électricité) 

Energie solaire 

 Energie solaire thermique 

 Le principe consiste à capter le rayonnement solaire et à le stocker dans le cas des systèmes passifs (véranda, serre, fa¸cade vitrée) ou, s’il s’agit de systèmes actifs, à redistribuer cette énergie par le biais d’un fluide caloporteur qui peut ˆetre de l’eau, un liquide antigel ou mˆeme de l’air. Cette énergie peut ˆetre utilisée pour : la production d’eau chaude, le chauffage des maisons, la réfrigération par absorption pour les bˆatiments. 

Energie solaire photovolta ´ ¨ıque 

L’énergie solaire photovolta¨ıque est particulièrement bien adaptée aux enjeux majeurs de notre société : raréfaction des gisements fossiles et nécessité de lutter contre le changement climatique. L’énergie solaire est inépuisable, disponible par tout et ne produit ni déchet, ni gaz à effet de serre. L’effet photovolta¨ıque transforme directement la lumière solaire en énergie électrique avec l’aide de la technologie des cellules à couche mince. 

La conversion photovolta¨ıque 

 Historique L’effet photovolta¨ıque a été découvert en 1839 par Edmond Becquerel [3] et Einstein obtient le prix Nobel de physique 1922 pour ses travaux sur l’effet photo- électrique. Les premières applications ont été faites sur l’alimentation des satellites dans les années 50 et celles terrestres dés les années 70. b. Principe de fonctionnement d’une cellule photovolta¨ıque Une cellule photovolta¨ıque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, générée de l’électricité. Son principe de fonctionnement dépend des propriétés du rayonnement et des semi-conducteurs. La conversion de l’énergie lumineuse se fait en trois étapes : ◦ Absorption des photons de la lumière solaire ; ◦ Conversion de l’énergie re¸cue par les photons en énergie électrique ; ◦ Collecter les particules dans un circuit électrique externe. ∗ L’absorption de la lumière Pour qu’il y ait un maximum de photons absorbés, les cellules doivent avoir la capacité de couvrir un large spectre. Ces photons seront utilisés pour libérer des électrons du matériau. Ainsi, l’absorption d’un rayonnement dans un matériau s’explique en effet par l’échange d’énergie entre les atomes du matériau et les corpuscules de la matière .Fig. 1.1 – processus d’absorption de la lumière dans un matériau I(flux incident) = R(réfléchi) + A(absorbé) + T(transmis) si un rayonnement lumineux d’énergie E = hν, arrive à la surface du semiconducteur ; une partie est réfléchie et l’autre traverse le cristal selon la longueur d’onde avec ou sans atténuation. Son intensité lumineuse est donnée par l’expression suivante : I = I0 exp(−αx) (1.1) Avec α le coefficient d’absorption. ∗ Transfert d’énergie des photons aux porteurs de charges La circulation des électrons dite de valence au niveau de ces semi-conducteurs se fait, si le soleil leur apporte un apport d’énergie extérieure pour se libérer de leurs atomes. Il s’explique mieux au niveau de la figure suivante : Fig. 1.2 – Processus de transfert d’énergie des photons aux porteurs de charges Les matériaux des semi-conducteurs sont caractérisés par la largeur de leurs bandes interdites (dites Gap).Ces derniers dépendent peu de la température [5] suivant la relation suivante : σ = σ0 exp  − Eg 2kT  (1.2) Avec, la largeur de la bande interdite Eg du matériau s’exprime : Eg = Ec − Ev (1.3) O`u Ev est l’énergie maximale de la bande de valence et Ec l’énergie de minimale de la bande de conduction. ∗ La collecte des charges Mémoire de thèse de Doctorat Unique P.8 DEMBA DIALLO Chapitre 1 : Concepts de base des piles solaires Ainsi, pour qu’un électron lié à son atome (bande de valence) soit arraché, il faut lui fournir une énergie minimale pour atteindre la bande de conduction : E = hν  Eg (1.4) L’atome qui a perdu un électron devient un ion positif : le trou formé participe à la formation d’un courant électrique en se dépla¸cant. Pour bien créer ce courant, il faut séparer les charges électriques (électron et trous) et les extraire hors du matériau dans le circuit électrique. 

 Les différentes filières photovolta¨ıque 

Il existe actuellement deux grandes filières technologiques de fabrication des cellules photovolta¨ıques : ◦ La technologie cristalline qui comprend les cellules en silicium monocristallin et poly-cristallin. ◦ La technologie des couches minces, qui est une filière consistant à déposer sous vide une fine couche d’un ou plusieurs métaux et elle comprend le silicium amorphe, de tellure de cadmium ou de diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium noté Cu(In, Ga)Se2 ou CIGS . a. Cellule photovolta¨ıque à base de Silicium cristallin Ce type de cellule est composé de fines plaque de silicium, un élément chimique très abondant et qui s’extrait du sable. La cellule à base de silicium peut ˆetre obtenue à partir d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux : dans ces cas, on parlera de monocristallin ou de multi-cristallin [6]. s Fig. 1.3 – Monocristallin Fig. 1.4 – Polycristallin ◦ Silicium monocristallin : la première génération de photopile, avec un taux de rendement (12-16%). Une fabrication laborieuse et difficile, c’est à dire très chère. ◦ Silicium poly-cristallin : son coˆut de fabrication est moins élevé, avec un rendement tournant autour de (11-13%). ◦ Silicium amorphe : c’est une cellule qui a une durée de vie très faible mais qui résistent mieux à des températures élevées, et elles sont souvent utilisées au niveau des calculatrices et des montres par exemple, avec un rendement plus bas de (8-10%). b. Cellule photovolta¨ıque à base de Cu(In,Ga)Se2 Le Cu(In, Ga)Se2 noté CIGS est l’une des filières à couches minces, et l’objectif est d’étudier les possibilités d’obtention de très hauts rendements photovolta¨ıques. Son dispositif de base consiste en une structure multicouche déposée sur verre : CIGS/CdS et ZnO, avec un rendement record qui est supérieur à 19,9% obtenu.

Le rendement de conversion électrique

Le rendement d’une photopile (cellule solaire) est le rapport entre l’énergie électrique qu’elle fournit et l’énergie du rayonnement re¸cue, c’est à dire le rapport : η = Electrique Elumineuse (1.5)

Pile solaire :principe et caractéristiques 

Principe

Les piles ou cellules solaires sont des dispositifs con¸cus à partir des matériaux de semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont des corps dont la conductivité est intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des isolants. Parmi les semi-conducteurs, on peut citer le silicium dont ses quatre électrons de valence permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique. Pour augmenter sa conductivité, on y introduit des impuretés. Ce procédé est appelé dopage. Dans ce cas, l’atome de silicium est remplacé par un atome pentavalent. Quatre d’entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième resté disponible va ˆetre excité vers la bande de conduction très facilement par l’agitation thermique. D’o`u le nombre d’électrons libres qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trous est très inférieur au nombre d’électrons libres. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif). De la mˆeme fa¸con on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant. Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque, on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore. Contrairement aux cellules CIGS qui renferment un absorbant composé de cuivre, de gallium, d’indium et de sélénium. Cette couche de 2,5 à 3 µm d’épaisseur étant dopée p, elle doit ˆetre recouverte d’un matériau de type n, par exemple du sulfure de cadmium (CdS).Ce type de cellule est représentée à la Fig1.5. Fig. 1.5 – Structure de la cellule PV à base de CIGS 1. Oxyde transparent et conducteur : Déposer par pulvérisation (sputtering). Couche antireflet possible (MgF2). 2. Emetteur (type n) : Déposer par voie chimique, nécessité de remplacer le ´ Cd(ZnS, In2S3). Appelé couche tampon, empˆeche la réaction ZnO/CIGS, protège le CIGS pendant le dépôt de ZnO. 3. Absorbeur (type p) : Multiple technologie de dépôt. 4. Contact arrière : Mo déposé par sputtering, formation de MoS2/MoSe2, faible vitesse de recombinaison. 5. Substrat : Verre sodocalcique (soda-glass). Puisqu’il y a deux semi-conducteurs différents, les cellules CIGS sont elles aussi à hétérojonction [7]. Ce modèle rend les cellules photovolta¨ıques au CIGS prometteuses. En effet, le mélange de cuivre, de gallium, d’indium et de sélénium est un très bon absorbant (ce qui se traduit par des rendements élevés), dépourvu de toxicité pour l’environnement et la santé. Les cellules CIGS utilisent, comme les technologies au silicium ou au tellurure de cadmium, le principe de la jonction p-n. Elles se démarquent cependant des autres pour deux raisons : elles ne possèdent ni silicium, ni élément toxique comme le cadmium (ou alors en infime quantité). Aucun souci environnemental ou sanitaire n’est donc à craindre. Le semi-conducteur employé présente par ailleurs l’un des meilleurs coefficients d’absorption toutes cellules confondues (le record étant détenu par le silicium amorphe). Le marché mondial du photovolta¨ıque CIGS a fortement augmenté ces dix dernières années. La production mondiale de ces cellules a été estimée à 450 MW en 2011. 

Caractéristiques des cellules solaires 

L’énergie solaire photovolta¨ıque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire qui fait partie des énergies renouvelables. Le soleil reste jusqu’à présent la plus importante source d’énergie, malgré la distance considérable qui le sépare de la terre (149.6×106 de kilomètres). Il s’agit d’une immense sphère lumineuse composée principalement de gaz ionisé, et du plus grand corps céleste du système solaire. Il est si grand qu’il pourrait contenir plus d’un million de planètes Terre. La puissance émise par le soleil sous forme de rayonnement est estimé à 90×1015 GW, alors que la couche terrestre n’arrive à recevoir que 180×106 GW. Arrivant à la terre, le rayonnement solaire subit de considérables modifications, dues principalement aux phénomènes d’absorption et de diffusion. De là, on introduit la notion de l’éclairement comme étant la densité de puissance re¸cue par une surface soumise à un flux lumineux, dans les conditions atmosphériques optimales. Cette densité de puissance atteinte 1kW/m2 pour un site situé au niveau de la mer. Cette énergie est disponible en abondance sur toute la surface terrestre, et malgré une atténuation importante lorsqu’elle traverse l’atmosphère, la quantité qui reste est encore assez importante quand elle arrive au sol. Le soleil émet un rayonnement électromagnétique compris dans une bande de longueur d’onde variant de 0,28 µm à 4 µm. La Fig 1.6 représente la variation de la répartition spectrale énergétique. L’énergie associée à ce rayonnement solaire se décompose approximativement ainsi : — 9% dans la bande des ultraviolets (<0,4 µm), — 47% dans la bande visible (0,4 à 0,8 µm), — 44% dans la bande des infrarouges (>0,8 µm). L’atmosphère terrestre re¸coit ce rayonnement à une puissance moyenne de 1,37 kilowatt au mètre carré, a plus ou moins 3%, selon que la terre s’éloigne ou se rapproche du soleil dans sa rotation autour de celui-ci. L’atmosphère en absorbe toutefois une partie, de sorte que la quantité d’énergie atteignant la surface terrestre dépasse rarement 1200W/m2 . La rotation et l’inclinaison de la terre font également que l’énergie disponible en un point donné varie selon la latitude, l’heure et la saison. Enfin, les nuages, le brouillard, les particules atmosphériques et divers autres phénomènes météorologiques causent des variations horaires et quotidiennes qui tantôt augmentent, tantôt diminuent le rayonnement solaire et le rendent diffus [8].