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La cellule solaire
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ? Une cellule photovoltaïque ou photopile est un composant électronique qui exposé à la lumière (photons), génère de l’électricité. C’est l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant obtenu est fonction de la lumière incidente. L’électricité produite est fonction de l’éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu grâce au matériau semi-conducteur qu’elle contient .
La conversion de l’énergie solaire en électricité, appelée « effet photovoltaïque » est découverte en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel . Toutefois, ce n’est qu’en 1954 qu’apparaît la première cellule photovoltaïque à haut rendement.
Principe de fonctionnement : La cellule photovoltaïque ou cellule solaire ou encore photopile est une composante électronique capable de fournir de l’énergie électrique s’il est éclairé convenablement. Le principe général est le suivant: l’absorption de photons d’énergie suffisante (E> Eg) dans le semi-conducteur (couche absorbante) génère des paires électrons-trous. Ces charges électriques sont séparées par un champ électrique interne (jonction) et collectées entre une grille face avant et un contact ohmique réalisé face arrière de la cellule puis débitées dans la charge. La cellule photovoltaïque constitue ainsi un générateur électrique élémentaire.
Définition d’une couche mince
Par principe, une couche mince est une fine pellicule d’un matériau déposé sur un autre matériau, appelé « substrat » dont l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur a été fortement réduite de telle sorte qu’elle varie de quelques « nm » à quelques « μm » (typiquement ce sont des couches de 10… 100 nanomètres d’épaisseur). Cette faible distance entre les deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques , très souvent un tel petit nombre des couches atomiques possède des propriétés très différentes. Par exemple la réflexion optique ou l’absorption peuvent être maîtrisées de manière très précise, de même pour la conductivité électrique.
La différence essentielle entre le matériau à l’état massif et celui en couches minces est liée au fait que dans l’état massif on néglige généralement avec raison le rôle des limites dans les propriétés, tandis que dans une couche mince ce sont au contraire les effets liés aux surfaces limites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l’épaisseur sera faible plus cet effet de bidimensionnelle sera important. En revanche, lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seuil l’effet d’épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif .
Les différentes filières des cellules photovoltaïques en couches minces
La conversion photovoltaïque nécessite l’utilisation d’une couche photoconductrice, dit e couche absorbante, qui transforme le rayonnement lumineux en paires électrons trous.
Par la suite, ces porteurs créés sont collectés en réalisant une jonction à la surface de cette couche absorbante. Cette jonction peut être soit une homo-jonction, c’est le cas de la filière classique silicium, soit une hétérojonction, c’est à dire une jonction avec deux semi-conducteurs différents, soit une jonction Schottky, c’est à dire un contact métal-semi-conducteurs. Dans le domaine des couches minces, il existe trois principales filières: la filière du silicium microcristallin et/ou amorphe, la filière Tellurure de Cadmium/ Sulfure de Cadmium, la filière des composés à structure chalcopyrite basée sur le CuInSe2 (CIS).
La filière à base de composé V-III (principalement AsGa) ne sera pas mentionnée ici : son coût important en fait en effet un matériau principalement utilisé en technologie spatiale.
Présentation de CuInSe2 (CIS)
Les matériaux utilisés pour la conversion photovoltaïque sont des semi-conducteurs dont la largeur de bande interdite peut se situer dans l’intervalle 1-1,8 eV . Les matériaux actuellement utilisés ou étudiés sont ensuite passés en revue en commençant par le silicium cristallin massif puis en décrivant le vaste secteur des couches minces: silicium amorphe, composées poly-cristallins, silicium cristallisé en couches minces. Les développements attendus dans chacune de ces filières sont présentés ainsi que les recherches en cours sur d’autres types des matériaux et de structure . Le matériau ternaire CuInSe2 : Le CuInSe2 est un composé ternaire de type I-III-VI2 suscite un intérêt grandissant depuis quelques années. C’est un matériau prometteur en vue d’obtention des couches minces absorbantes pour les cellules photovoltaïques. Sa largeur de bande interdite est variée entre 0,6 de 1,08 eV , en effet en bon accord avec le spectre solaire, ce qui fait que ce matériau est particulièrement bien adapté à la conversion photovoltaïque.
Broyage mécanique à haute énergie
Deux termes sont couramment utilisés dans la littérature anglo-saxonne pour désigner le processus de broyage réactif haute énergie. La mécano-synthèse proprement dite est un puissant outil permettant la production de poudres nano-structurées métastables à partir d’un mélange de poudres élémentaires (Mechanical alloying). Parallèlement à la mécano-synthèse « directe », le broyage mécanique (Mechanical grinding) consiste à confiner des poudres (de métal pur, intermétallique, alliages) de composition stœchiométrique pour obtenir un matériau nano-structuré qui n’est pas nécessairement homogène. La mécano-synthèse : La mécano-synthèse (Mechanical Alloying, MA) est un procédé de synthèse par broyage à haute énergie à sec des poudres d’éléments purs qui permet d’obtenir toutes sortes de matériaux.
Elle connaît maintenant un développement considérable en raison de l’intérêt porté aux nanomatériaux et plus généralement aux matériaux métastables. Parmi les nombreuses techniques qui permettent d’élaborer des nanomatériaux, la mécano-synthèse est une véritable moyenne pour mélanger et combiner des solides jusqu’à l’échelle atomique et pourrait jouer un rôle important car elle est simple à mettre en œuvre et permet de produire des quantités appréciables de matériaux avec une bonne reproductibilité. Cette technique a été développée accidentellement en 1968 pour la fabrication d’alliages métalliques. Les métaux ont été Co-broyés dans un broyeur fortement énergétique, produisant une poudre fine selon un mécanisme alterné de fractures et de soudures froides. Gilman et Benjamin (1983) se sont intéressés aux mécanismes de formation des alliages et ont appliqué la technique à un grand nombre d’éléments métalliques.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I: Généralité sur les cellules solaires et le composé CuInSe2
I.1. Introduction
I.2. La cellule solaire
I.2.1. Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque
I.2.2. Principe de fonctionnement
I.2.3. Définition d’une couche mince
I.2.4. Les différentes filières des cellules photovoltaïques en couches minces
I.2.4.1. La filière silicium en couches minces
a) Silicium amorphe a-Si
b) Silicium microcristallin
I.2.4.2. La filière CdTe
I.2.4.3. La filière chalcopyrite Cu-III-VI2
I.2.5. Performance des cellules solaires à base de quaternaire Cu (In Ga) Se2 avec la couche tampon CdS
I.3. Présentation de CuInSe2 (CIS)
I.3.1. Introduction
I.3.2. Le matériau ternaire CuInSe2
I.3.3. Généralités sur les éléments de base
I.3.4. Les déférentes techniques du composé CuInSe2
a) Cas des monocristaux
b) Cas des couches minces
c) La co-évaporation multi-source des éléments
d) Autres séquentielles du système Cu (In, Ga) Se2
I.3.5. Les propriétés physico-chimique du système CuInSe2
I.3.6. Structure de la maille cristalline
I.3.7. Le diagramme de phase
I.3.8. Les propriétés électroniques (structure de bande)
I.3.9. Les propriétés électriques des matériaux ternaires Cu (In, Ga) (S, Se)2
I.3 .10. Les propriétés optiques
I.3.11. Les défauts dans le CuInSe2
I.3.12. Les différents composants de la photopile
Chapitre II: Etude bibliographique sur les techniques d’élaborations utilisées
II.1. Introduction
II.2. Broyage mécanique à haute énergie
II.2.1. Introduction
II.2.2. La mécano-synthèse
II.2.2.1. Principe
II.1.2.2. Les mécanismes de broyage mécanique à haute énergie
II.2.2.3. Paramètres influençant la nature du produit obtenu par mécano-synthèse
II.2.3. Transformation de phase
II.2.4. Les différents broyeurs mécaniques
II.3. SHS »Self-propagating High-temperature Synthesis »
II.3.1. Introduction
II.3.2. Aspect général de la méthode SHS
II.3.3. Principe
II.3.4. Paramètres typiques du processus
II.3.5. Domaine d’applications
II.4. La technique par évaporation thermique
II.4.1. Structure de couches minces déposées par évaporation thermique
Chapitre III: Procédure expérimentale et techniques de caractérisations
III.1. Introduction
III.2. Elaborations des échantillons
III.2.1. Synthèse de CuInSe2en poudre par mécano-synthèse
a) Caractéristiques des réactifs du départ
b) Préparation des mélanges
c) Broyage
Mode de fonctionnement
III.2.2. Synthèse par combustion (SHS)
a) Mélange
b) Compaction
III.2.2. 1 Dispositif expérimental
III.2.2. 1 1. Montage SHS
III.2.2. 1 1. Réacteur
III.2.2.1.3. Porte échantillon
III.2.2.1.4. Système d’amorçage
III.2.2.1.5. Contrôle de l’atmosphère
III.2.2.1.6. Position de l’échantillon
III.2.3. Synthèse de CuInSe2 en couches minces
III.2.3.1. Déposition de CuInSe2 par évaporation thermique
III.2.3. 1. 1. Introduction
III.2.3.2. 1.Préparation des couches minces
a) Préparation des substrats
b) La réalisation du vide
III.2.3.2. Synthèse des couches minces (La Co-évaporation sous vide)
III.3. Techniques de caractérisations
III.3.1. Diffraction des rayons X (XRD)
Affinement des diffractogrammes X
III.3.2. Microscope électronique à balayage (MEB)
a) Principe de balayage
b) Principe des interactions du faisceau électronique avec l’échantillon
c) Préparation des échantillons
III.3.3. Spectroscopie de dispersion d’énergie (EDX)
III.3.4. Caractérisation optique
III.3.4.1. Spectroscopie UV-Visible
III.3.4.2. Mesures des propriétés optiques
a) Spectre de transmission
b) Détermination de la largeur de la bande interdite (le gap)
III.3.5. Analyse chimique par spectroscopie photo-électronique (XPS)
IV.4. Caractérisation électrique
IV.4.1 Mesure de la conductivité
Chapitre IV: Résultats & discussions
IV.1.Introduction
IIV.2. Analyse par diffraction des rayons X
IV.2.1. Echantillons préparé par mécano-synthèse (MC)
IV.2.1.1. Détermination des paramètres cristallins
IV.2.1.2: Taille des grains
IV.2.2. Echantillon massif préparé par SHS
II.2.3. CuInSe2 en couches minces préparées par mécano-synthèse
IV.2.4. CuInSe2 en couche mince préparée par auto-combustion SHS
IV.2.5. CuInSe2 en couches minces déposées par Co-évaporation
IV.3. Affinement des diffractogrammes (cas des couches minces)
IV.3.1. Principe de la méthode de Rietveld
IV.4. L’analyse par EDX
IV.4.1. CuInSe2 préparé par mécano-synthèse (t=30 min)
IIV.4.2. CuInSe2 préparé par SHS
IV.4.3. CuInSe2 en couches minces
IV.5. L’analyse par microscope électronique à balayage
IV.5.1. CuInSe2 en poudre préparé par la mécano-synthèse
IV.5.2. CuInSe2 en poudre préparé par la méthode auto-combustion (SHS)
IV.5.3. Morphologie des couches minces
IV.5.3.1. Morphologie des couches minces obtenues par mécano-synthèse
IV.5.3.2. Morphologie des couches minces obtenues par SHS
IV.5.3.3. Morphologie des couches minces obtenues Co-évaporation
IV.6. Les propriétés optiques
IV.6.1. La transmission
IV.6.1.1. La transmission des couches minces du CuInSe2 préparées par mécano synthèse
IV.6.1.2. La transmission de couche mince du CuInSe2 préparées par SHS
IV.6.2. L’absorption
IV.6.2.1. L’absorption des couches minces du CuInSe2 préparées par mécano-synthèse
IV.6.2.2. L’absorption de couche mince du CuInSe2 préparées par SHS
IV.6.2.3. L’absorption des couches minces du CuInSe2 préparées par Co-Evaporation
IV.6.3. Le gap d’énergie
IV.6.3.1. Le gap d’énergie des couches minces du CuInSe2 préparées par mécano-synthèse (MC)
IV.6.3.2. Le gap d’énergie de couche mince du CuInSe2 préparées par SHS
IV.6.3.3. Le gap d’énergie des couches minces du CuInSe2 préparées par la Co-Evaporation
IV.7. Analyse par photo-spectroscopie (XPS)
IV.7.1. Introduction
IV.7.2. Description de la mesure
IV.7.3. Résultats de XPS des couches minces de CuInSe2
IV.8. Les propriétés électriques
IV.8.1. Introduction
IV.8.2. Conductivité du CuInSe2 en couche mince
III.8.3. Mécanismes de transports dans notre couche mince
IV.8.3.1. Domaine des basses températures (modèle de Mott)
IV.8.3.2. Domaine des hautes températures (Modèle de Séto)
Conclusion générale
