Synthèse et étude des matériaux semi-conducteurs
quaternaires à large bande interdite

La deuxième génération (La filière en couches minces)

Dans le domaine de couches minces, il existe quatre principales filières. a) Le silicium amorphe Les cellules à base de silicium amorphe ne possèdent pas de structure cristalline. L’inconvénient majeur des films minces amorphes de silicium est la dégradation significative de leur efficacité de conversion une fois exposés au soleil (d’environ 15 à 35%), la stabilité peut être améliorée en utilisant des couches plus minces. Cependant, en faisant ainsi, l’absorption de la lumière sera réduite aussi bien que l’efficacité de conversion des cellules. Leur coût de fabrication et leur rendement sont légèrement inférieurs par rapport aux autres types cités précédemment 10.2 % [6]. Elles sont généralement utilisées dans des appareils portables, calculettes, etc. b) La filière à base de cadmium Les composés semi-conducteurs à base de cadmium tels que : CdTe, CdS et CdSe permettent d’obtenir des piles solaires. Les cellules au tellurure de cadmium présentent une efficacité de conversion assez élevée environ 21% [7], ce qui explique probablement leur succès actuel. Le tellurure de cadmium est employé entant que semi-conducteur dopé P, l’emploi de ce dernier procurre plusieurs avantage aux cellules ; seuls 1 à 8 m de CdTe suffisent pour absorber une grande quantité de lumière. Cette filière a rencontré des difficultés à savoir : la présence de Cd, matériau toxique pour l’homme et l’environnement. c) La filière à base de l’arséniure de gallium Le GaAs est l’un des matériaux semi-conducteurs dits (III-V), possède une bande interdite optimale 1.42 eV cela rend GaAs parmi les matériaux les plus couramment utilisés dans les applications photovoltaïques. Aujourd’hui le rendement des cellules de GaAs à  jonction simple atteint 28.8% [8]. Cette valeur lui donne la particularité d’être réservé aux applications spatiales. d) La filière chalcopyrite La filière chalcopyrite est considérée comme étant le marché d’avenir et le plus prometteur pour la fabrication de modules photovoltaïques. Les principaux matériaux de cette filière en tant qu’absorbeur sont : le CuInSe2, CuInS2, CuGaSe2 avec des énergies de gap respectives 1.04, 1.5, 1.7eV. Le CuInSe2 semble être le matériau le plus prometteur avec une efficacité de 19,5% [9]. Cependant sa faible bande interdite qui est un peu éloignée de la partie la plus intense du spectre solaire limite le rendement de la photopile et pour augmenter cette valeur, le gallium est substitué avec l’indium en formant le composé Cu (In, Ga) Se2 qui est devenu le matériau le plus répandu de cette filière avec un rendement de 21.7%

La troisième génération 

Cette 3 ème génération comprend les nouveaux types des cellules solaires, qui sont les cellules solaires à base de composés moléculaires dites organiques hybrides. L’abondance, le faible coût de ces matériaux et la technique simple de conception ont fait de cette technologie très attractive. On distingue trois catégories : a) Les cellules à colorant de Gratzel Ces cellules dites à colorant sont développées en 1991 par le chimiste suisse Michael Gratzel [11], qui eut l’idée de réaliser un dispositif s’inspirant de la photosynthèse des plantes. Le principe de fonctionnement de ces cellules consiste à capter les photons à l’aide de sensibilisateurs fixés sur des nanoparticules semi-conductrices à une électrode, le tout baigné dans un électrolyte et encapsulé par une seconde électrode. b) Les cellules organiques Les cellules organiques autrement dit les cellules plastiques, sont des cellules photovoltaïques apparus dans les années quatre-vingt-dix. Pour but de réduire le coût de production d’électricité [12]. Il existe principalement deux types de cellules photovoltaïques ; organiques moléculaires et en polymères. L’engouement exceptionnel généré par ces cellules  provient de leurs applications potentielles pour les emballages et autres revêtement intelligentes. c) Les cellules à pérovskites Les pérovskites hybrides sont de nouveaux matériaux formés d’une partie organique et d’une autre inorganique. On fait, officiellement leur entrée dans le monde de photovoltaïque en 2012 avec un rendement de 12%, ensuit le rendement croit rapidement pour atteindre 20% en 2015 [13]. Ces nouveaux matériaux promettent un bel avenir dans beaucoup d’applications liées à notre vie quotidienne. La figure I.8 montre l’évolution des rendements record des principales filières photovoltaïques actuelles. On y trouve les cellules au silicium monocristallin et polycristallin, les cellules au silicium amorphe, les cellules en couches minces comme le diséléniure de cuivre, d’indium et de galium (CIGS) et les cellules à base de tellurure de cadmium (CdTe), et aussi les cellules à base de composés appelés III-V du type GaAs qui appartiennent à la catégorie des cellules à single-jonctions. À côté du silicium et des couches minces, il existe d’autres filières, moins développées, plus émergentes, comme les cellules pérovskites et le photovoltaïque organique et inorganique (CZTS). Les filières Si, CIGS et CdTe sont actuellement les plus utilisées de façon importante.

Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque

La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d’avantages 

Les Avantages 

Une haute fiabilité ; les modules sont garantis pendant 25 ans par la plupart des constructeurs.  Elle ne comporte pas de pièces mobiles, qui la rendent particulièrement appropriée aux régions isolées. C’est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.  Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers.  Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.

Les inconvénients

Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients [1].  La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements d’un coût élevé.  L’occupation de l’espace pour les installations de grandes dimensions.  Le rendement réel de conversion d’un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28 %).  Enfin, lorsque le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru. I. 6 L’empreinte écologique du photovoltaïque La production d’électricité photovoltaïque est exempte de pollution au niveau local comme au niveau mondial : elle n’émet pas de gaz à effet de serre, ne puisse pas dans des ressources minérales en grande quantité et il peut facilement être intégrée dans l’environnement urbain, à proximité des besoins de consommation les plus importants. Ces particularités font du photovoltaïque l’une des filières les plus prometteuses et les mieux adaptées à moyen et long terme pour la production mondiale d’électricité, aussi bien dans les pays riches (OCDE) que dans les pays en développement .  Toutefois, avant de produire de l’électricité, la fabrication, l’installation et plus tard le démantèlement et le recyclage des équipements en fin de vie demandent une certaine quantité d’énergie, qui doit d’abord être « remboursée » pour que l’électricité photovoltaïque puisse être considérée comme renouvelable et propre. Deux indicateurs sont intéressants à retenir pour évaluer l’empreinte écologique d’un système photovoltaïque :  Le temps de retour énergétique nombre d’années que met un système pour rembourser le contenu énergétique nécessaire à sa fabrication et à son installation.  Le coefficient de performance : nombre de fois qu’un système photovoltaïque remboursera son contenu énergétique sur sa durée de vie.

Les modules photovoltaïques

Les cellules ne développent qu’une puissance relativement faible (de l’ordre de 3 W) et sont extrêmement fragiles et sensibles aux éléments extérieurs. Pour utiliser l’énergie PV à grande échelle, les cellules sont connectées entre elles en série pour augmenter la tension et en parallèle pour croitre le courant. Elles sont ensuite encapsulées entre une feuille de verre et une feuille de Tedlar à l’aide d’un polymère [15]. Figure I.9 : Composition d’un module photovoltaïque au silicium cristallin Les modules les plus courants mesurent 1580 x 808 mm2 et contiennent 72 cellules pour une puissance de 200 Wc. Il existe des modules de tailles différentes allant de 1 cellule (100 mm x 100 mm) jusqu’à des modèles pour intégration en façade de 2631 x 1645 (117 kg pour 580 Wc). Actuellement, des modules de 300 Wc et plus se développent sur le marché. Figure I.10 : Différents types de modules PV Le profil de la caractéristique courant-tension d’un module photovoltaïque est le même que celui d’une cellule photovoltaïque. Les cellules étant connectées en série, les tensions de chacune des cellules s’ajoutent.