Le gisement solaire
En général, les cellules solaires sont produites pour être exposées à la lumière de soleil. L’optimisation de l’efficacité de la conversion de cette cellule photovoltaïque se base alors sur le spectre solaire. Le rayonnement solaire a un spectre continu composé de toute une gamme de longueurs d’onde (lumière blanche). Ce rayonnement émis correspond à celui d’un corps noir à 6000 K ), ASTM 173-03 . En traversant les couches de l’atmosphère, la lumière sera affectée, le flux énergétique incident sur la surface de la terre sera moins élevé (varie de 0 à 1000 W/m2) et le spectre n’est plus continu. Ces modifications du spectre sont dues à: la diffusion, la réflexion et l’absorption par les particules présentes dans l’atmosphère (ozone, oxygène, eau, etc.). Le rayon lumineux est alors variable (dépend de la position géographique, de l’altitude et des conditions climatiques) et n’est pas homogène sur toute la surface de la terre.
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.
Structure des composés Cu-III-VI2
Les composés étudiés dans ce travail font partie de la famille des composés I-III-VI2 qui peuvent être considérés comme dérivés d’un élément monoatomique de la colonne IV du tableau périodique. L’élément IV de structure diamant possède des liaisons tétraédriques, à partir de cette structure on dérive les binaires (II-VI) et (III-V) qui ont la structure zinc blende. La substitution successive des cations de la blende, en conservant le nombre de valence, nous permet d’atteindre les structures appropriées aux composés ternaires. Avec le mélange des atomes des deux colonnes I et III sur les positions des cations, il se produit un changement de groupe d’espace de caractérisant les composés à structure blende au groupe qui caractérise la structure quadratique. La structure sphalérite, appartenant au système cubique, est caractérisée par une séquence d’empilement des cations et des anions. Les cations I et III se répartissent aléatoirement sur les sites d’un réseau cubique à faces centrées (cfc) et les anions de valence VI occupent les centres des tétraèdres qui forment à leur tour un réseau (cfc). Quand à la structure chalcopyrite, de forme plus ordonnée que celle de la sphalérite, son réseau est décrit par une maille ayant la forme d’un parallélépipède rectangle de cotés a, a et c. La maille est constituée de deux réseaux cubiques à faces centrées interpénétrés. Un réseau est composé de l’anion VI et l’autre constitue une rangée ordonnée de cuivre et d’un autre cation, il en découle alors que chaque atome de Se du composé Cu-III-VI 34 mF − 24 dI−2 est entouré de deux atomes des autres espèces. L’alternance des cations dans la structure quadratique introduit deux modifications structurales importantes: une compression quadratique et un déplacement anionique.
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.
Les techniques de dépôt les plus souvent utilisées pour la fabrication des couches minces ternaires sont décrites ci-dessous, elles permettent d’avoir des matériaux ayant de bonnes propriétés physiques.
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
