L’effet photovoltaïque
L’effet photovoltaïque est défini par la transformation directe d’une énergie électromagnétique en énergie électrique continue. Il a été découvert en 1839 par le physicien français Edmond Becquerel qui mit en évidence l’effet électrique produit sous l’influence de la lumière. Il a observé l’apparition d’une tension aux bornes de deux électrodes immergées dans une solution hautement conductrice, lorsque celle-ci était exposée à la lumière naturelle. Cette découverte représente l’origine des piles solaires mais elle reste longtemps en suspend jusqu’à 1954 l’année qui connait la naissance de la première cellule solaire au silicium. Chapin et al. ont développé cette cellule qui donne un rendement énergétique de 6 %. Dès lors, de nombreux progrès ont été réalisés dans ce domaine, notamment motivés par la conquête de l’espace. Au cours des années 1980, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales. Le recours à l’énergie photovoltaïque est devenu alors une évidence et des efforts considérables pour le développement de cette énergie ont été consentis depuis quelques années. Sur le long terme, on estime que l’électricité solaire pourrait contribuer de façon significative à la consommation totale d’énergie. Avec le soutien de politiques publiques adaptées dans les pays développés comme dans les pays en voie de développement, EPIA (European Photovoltaic Industry Association) et Greenpeace ont élaboré un scénario commun selon lequel, en 2030 , le photovoltaïque pourrait produire assez d’énergie pour fournir de l’électricité à 3,7 millions de personnes dans le monde. La majorité d’entre eux se situe dans des zones isolées, dépourvues de tout accès au réseau électrique.
Matériaux destinés à la conversion photovoltaïque
Plusieurs matériaux peuvent être utilisés comme semi-conducteurs dans une cellule photovoltaïque. Le choix du matériau repose sur divers facteurs dont sa capacité d’absorber les photons provenant des rayons solaires.
Le rayonnement solaire contient des lumières de différentes longueurs d’onde: rayons ultraviolets, infrarouges et visibles. Une partie du spectre solaire, partie qui dépend de la valeur du gap Eg du semi-conducteur, est absorbée et participe à la création de paires « électron-trou ». Dans un semi-conducteur, le photon d’énergie adéquate pourra promouvoir un électron de la bande de valence (BV) vers la bande de conduction (BC). Cette transition génère deux types de porteurs, les électrons de conduction, et des trous. Ces paires d’électron trou d’énergie Eg pourront servir à générer un courant avant leur recombinaison. Le paramètre prédominant dans le choix d’un semi-conducteur pour la conversion photovoltaïque est donc la largeur de sa bande interdite Eg. Bien entendu, d’autres paramètres vont intervenir dans ce choix. Plusieurs matériaux ont été exploités dans la conversion photovoltaïque à cause de leurs propriétés optoélectroniques. L’évolution de la technologie des semi conducteurs a permis de synthétiser de nouveaux matériaux. Les orientations actuelles des développements sont basées sur le Silicium (Si) qui est la filière la plus avancée sur le plan technologique et industriel.
Les propriétés électriques
Les propriétés électriques sont des caractéristiques importantes pour les matériaux utilisés comme absorbeurs afin d’obtenir des rendements élevés. Les études effectuées sur les caractérisations électriques des couches minces chalcopyrites ont montré qu’elles dépendent fortement de la composition et sont gouvernées par la présence des défauts dans la structure.
Ces derniers contrôlent principalement la conductivité électrique de ces matériaux, c’est pourquoi la mise en évidence et la caractérisation de ces défauts sont utiles pour déterminer leurs propriétés. Dans les composés chalcopyrites les déviations de la composition stœchiométrique permettent l’augmentation des différents défauts intrinsèques et génèrent des donneurs ou des accepteurs dépendant, soit d’un anion soit d’un cation, qui est en excès.
Les défauts de concentration très élevée sont distribués d’une manière aléatoire dans les couches, les lacunes de l’atome non métallique agissent positivement comme donneurs conduisant au type n, ceux de I et III agissent négativement comme accepteurs. Le type de conduction peut aussi être corrélé à d’autres défauts intrinsèques tels que le désordre entre des cations interstitiels ou des anti-sites conduisant à des états électriquement actifs.
Newman a conclu, à partir d’une étude sur l’influence de la composition sur les propriétés électriques du CuInSe2 élaboré par la technique Bridgman, que ces propriétés sont cohérentes avec le modèle des défauts ponctuels intrinsèques.
D’autres auteurs présentent également des résultats sur des couches minces de CISe préparées par des méthodes différentes. Ils ont étudié le type de conductivité en fonction des concentrations des constituants et ont constaté que les deux types de conduction n et p peuvent être obtenus avec différentes valeurs de résistivité par un choix approprié de la composition.
Techniques d’élaboration des matériaux chalcogénures en couches minces
La fabrication des cellules solaires à haut rendement nécessite le développement des méthodes de réalisation appropriées pour l’obtention des couches de meilleure qualité sur des grandes surfaces. Les couches minces des chalcogénures ont été réalisées en utilisant plusieurs techniques dues à la diversité des applications de ces composés.
Les méthodes CVD (dépôt chimique en phase vapeur) permettent de réaliser des dépôts à partir de précurseurs gazeux qui réagissent chimiquement pour former un film solide déposé sur un substrat. La technique PVD (dépôt physique en phase vapeur), où le dépôt est obtenu par condensation d’atomes en phase vapeur. Les éléments formant la couche mince sont introduits sous forme solide et mis en phase vapeur, dans l’enceinte de dépôt, par un procédé physique : pulvérisation ou évaporation.
Elaboration des couches minces chalcopyrites
La préparation des couches minces chalcopyrites nécessite la maîtrise et le contrôle de la méthode d’élaboration. Le choix d’une méthode de dépôt fait intervenir plusieurs critères : La nature des matériaux à déposer (pureté). La vitesse de dépôt et l’épaisseur de la couche souhaitée. La stœchiométrie désirée. La qualité cristalline. L’adhérence du dépôt sur les substrats.
Chaque paramètre est choisi avec minutie pour obtenir un semi-conducteur possédant les caractéristiques voulues. Dans notre étude, et dans le but d’accéder à ces critères nous avons proposé d’utiliser la technique d’évaporation thermique pour préparer nos échantillons.
Les principaux paramètres physiques et chimiques concernant les matériaux (Cu, In, Ga, Se,Te) qui rentrent dans la synthèse de nos échantillons sont donnés : L’évaporation flash est une variante des procédés par PVD dont plusieurs étapes entrent dans la fabrication des couches semi-conductrices. Création des espèces à déposer sous forme d’atomes. Le transport de ces espèces en phase vapeur. Le dépôt sur le substrat et la croissance de la couche.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I: Généralités sur les ternaires Cu-III-VI2
I-1 Généralités sur l’énergie photovoltaïque
I-1-1 Le gisement solaire
I-1-2 L’effet photovoltaïque
I-1-3 Energies renouvelables en Algérie
I-2 Matériaux destinés à la conversion photovoltaïque
I-3 Propriétés généralité des composés chalcopyrites
I-3-1 Le choix du matériau
I-3-2 Structure des composés Cu-III-VI2
I-3-3 Diagramme de phases
I-3-4 La structure électronique
I-3-5 Les défauts
I-3-6 Les propriétés électriques
I-3-7 Les propriétés optiques
I-3-7-a Influence de la température
I-3-7-b Influence de la composition
I-3-7-c Influence de l’épaisseur
I-4 Conclusion
Références
Chapitre II: Techniques expérimentales d’élaboration et de caractérisation des films chalcopyrites
II-1 Introduction
II-2 Techniques d’élaboration des matériaux chalcogénures en couches minces
II-3 Elaboration des couches minces chalcopyrites
II-3-1 Elaboration du lingot polycristallin
II-3-2 Croissance e des couches minces par évaporation thermique
II-3-2-a Description du dispositif expérimental de dépôt
Enceinte à vide
Système de pompage et contrôle de pression
Les substrats
II-3-2-b La réalisation des couches minces
II-4 Techniques de caractérisation
II-4-1 Mesure de l’épaisseur
II-4-1-a Mesure in-situ
II-4-1-b Mesure ex-situ
II-4-2 Analyse structurale par la diffraction de rayons X
II-4-2-a Principe
II-4-2-b Détermination des tailles des grains
II-4-3 Morphologie et composition
II-4-3-a Microscope électronique à balayage
II-4-3-b Analyse EDS (E.D.S: Energy Dispersive Spectroscopy )
II-4-4 Mesures optiques, utilisation d’un spectrophotomètre
II-4-5 Mesures électriques
II-4-5-a Méthode de pointe chaude (type de conduction)
II-4-5-b Conductivité électrique
Références
Chapitre III: Etude du dépôt ternaire de configuration Cu/ In/ Se
III-1 Introduction
III-2 Préparation des couches minces de CuInSe2
III-3 Caractérisation des couches mince de CuInSe2
III-3-1 A l’état de dépôt
III-3-1-a Caractérisation structurale à l’état de dépôt
III-3-1-b Composition du film mince de CuInSe2 à l’état de dépôt.
III-3-1-c Morphologie à l’état de dépôt
III-3-2 Après traitement de recuit
III-3-2-a Caractérisation structurales
III-3-2-b Composition du film mince
III-3-2-c Morphologie de surface
III-3-3 Après traitement chimique
III-3-3-a Caractérisation structurale
III-3-3-b Composition du film
III-3-3-c Morphologie de surface
III-4 Mesures électriques sur l’échantillon de CuInSe2
III-4-1 Introduction
III-4-2 Conductivité du CuInSe2
III-4-2-a Domaine des hautes températures
III-4-2-b Domaine des basses températures
III-5 Mesures optiques sur l’échantillon de CuInSe2
III-6 Conclusion
Références
Chapitre IV : Influence du taux de gallium sur les propriétés des couches minces du système CuIn1-xGaxTe2 (x= 0; 0,5; 1)
IV-1 Introduction
IV-2 Propriétés structurales des composés des composés CuIn1-xGaxTe2 en poudres
IV-3 Caractérisation des couches minces des composés CuIn1-xGaxTe2
IV-3-a Propriétés structurales des couches minces de CuIn1-xGaxTe2
IV-3-b Morphologie et composition des couches minces de CuIn1-xGaxTe2
IV-3-c Mesures optiques sur les échantillons de système CuIn1-xGaxTe2
IV-3-c-1 Détermination de la largeur de la bande interdite
IV-3-c-2 Influence de teneur en Ga sur la largeur de la bande interdite
IV-3-c-3 Détermination des paramètres de la seconde et la troisième transition
IV-4 Détermination des constantes optiques des ternaires CIT et CGT
IV-5 Conclusion
Références
Conclusion générale
Annexes
