Principe de fonctionnement des cellules solaires

L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière dans un matériau semi-conducteur. La composante de base d’une cellule solaire est la couche absorbante, généralement de type p, où la conversion des photons en paires électron-trou se produit, ces photons doivent avoir une énergie supérieure à celle de la bande d’énergie interdite du semi-conducteur utilisé. Cette couche doit être capable d’absorber une grande partie du spectre solaire. La formation d’une jonction p-n nécessite une couche semi-conductrice de type n pour établir un champ électrique qui repousse les électrons vers la zone n et les trous vers la zone p, cette couche doit être mince et fortement dopée pour générer un champ électrique suffisant dans la zone de charge d’espace (ZCE). Si l’absorption des photons a lieu dans la ZCE, les paires électron-trou photo générées sont immédiatement dissociées par le champ électrique, ainsi ils créent un photocourant de génération.
Parallèlement, les porteurs minoritaires, les trous générés dans la région P, créent un gradient de concentration et se diffusent dans le matériau. Ces porteurs atteignent la ZCE, où le champ électrique leur fait traverser la zone de déplétion, afin d’atteindre la région où ils deviennent majoritaires : c’est le photocourant de diffusion. Ces deux effets s’ajoutent pour créer un photocourant résultant Iph. Certains des électrons photo-excités seront perdus à cause de la génération-recombinaison dans la ZCE ou dans la région quasi-neutre, surtout si la photo-excitation a lieu loin de la jonction. Pour avoir une grande probabilité de collecte des porteurs libres, la couche n (couche tampon ou couche émettrice) doit être beaucoup plus dopée que l’absorbeur de type p, de telle sorte que la plupart de la région de charge d’espace s’étend dans l’absorbeur. En outre, la couche tampon doit avoir une large bande interdite, pour que la majeure partie du rayonnement incident soit transmise à l’absorbeur. La décroissance exponentielle de l’intensité lumineuse provoquée par l’absorption fait que les photons incidents soient absorbés principalement dans la partie avant de l’absorbeur .

Cellules solaires en couches minces

Définition d’une couche mince

Une couche mince est une fine couche déposée sur un autre matériau appelé « substrat » dont l’épaisseur est fortement réduite de telle sorte qu’elle varie de quelques « nm » à quelques « µm ». Cette faible distance entre les deux surfaces limites entraine une perturbation de la majorité des propriétés physiques, souvent ce petit nombre de couches atomiques possède des propriétés différentes. Nous allons étudier quelques exemples de cellules solaires en couches minces.

Exemples de couches minces

Couches minces de CdTe : En raison de ses propriétés optoélectroniques et chimiques, le CdTe est un matériau absorbeur idéal pour une haute efficacité des cellules solaires en couches minces polycristallines à coût faible. Le CdTe est un matériau à bande interdite directe avec un gap de 1.5 eV, et un coefficient d’absorption d’environ 105 cm-1 dans le domaine du visible, ainsi une épaisseur de quelques micromètres d’une couche est suffisante pour absorber 90% des photons incidents. Du fait de la température élevée de dépôt, dans la plupart des cas, les couches sont déposées avec un défaut de Cd, donnant lieu à une conductivité de type p. Les cellules solaires à base de CdTe seront révélées remarquablement tolérantes aux procédés de dépôt, et des dispositifs avec des rendements supérieurs à 10% qui ont été trouvés avec plusieurs techniques de dépôt. Certaines d’entre elles ont été élaborées pour des modules de grandes zones.
Couches minces de CdS : La couche mince de sulfate de cadmium est un semi-conducteur de type n adapté pour la couche fenêtre dans les cellules solaires à hétérojonction telles que CuInSe2/CdS. Les couches CdS sont uniformes et transparentes, ils sont utilisés pour produire des cellules solaires à haut rendement. Différentes méthodes ont été utilisées pour fabriquer des couches de CdS, mais il y’avait quelques problèmes dans chaque méthode. Par exemple, il est difficile d’obtenir la stœchiométrique de CdS par la technique d’évaporation et une haute température est obligatoire pour le dépôt par pulvérisation. Le processus de CBD, qui produit des couches par réaction entre des ions Cd et S dans une solution alcaline, est utilisé pour fabriquer des couches de haute qualité qui ont quelques défauts et stœchiométriquement uniformes. Les couches CdS déposées par la technique CBD ont aussi d’excellentes propriétés électriques et optiques. De plus, le processus est facilement extensible sur une grande surface à un coût de fabrication faible. Le processus de dépôt est contrôlé par la cinétique de la réaction chimique dans une solution d’ammoniaque de sel de cadmium.

Fabrication d’une cellule solaire à base de CuInSe2

Une cellule solaire à base de CIS est composée d’un ensemble de couches minces semi-conductrices avec une épaisseur totale de 5µm  et le substrat de ce composant est en verre. La première étape de fabrication d’une cellule photovoltaïque est le dépôt d’une couche de molybdène ou d’ITO de 1µm d’épaisseur, généralement par la technique d’évaporation thermique ou pulvérisation cathodique. Cette couche est le contact ohmique arrière de la cellule ; elle assure l’adhésion entre la couche active de la cellule (la couche absorbante) et le substrat. La couche la plus importante dans la cellule photovoltaïque est la couche absorbante, car, elle est responsable de l’absorption des rayonnements solaires ainsi que la génération des porteurs de charges (les électrons et les trous).

Les différentes composantes de la cellule solaire à base de CuInSe2

Généralement, il existe six couches dans la cellule solaire en couches minces.  la couche absorbante : Une couche absorbante doit être constituée d’un matériau à grand coefficient d’absorption dans le domaine du visible, il est donc préférable que celui-ci ait une bande interdite directe, dont la valeur soit de l’ordre de 1,1-1,7 eV. Sa conductivité doit être de type p, et de l’ordre de 1.10-2(Ωcm-1).
la couche tampon : Elle est située entre la couche absorbante et la couche d’oxyde transparent conducteur (OTC). Si un contact couche absorbante-OTC est directement réalisé, une jonction photovoltaïque peut exister, mais son rendement sera limité par :
l’inadaptation des bandes interdites ; les courants de fuites dues à la présence désordonnée des joints de grains. De ce fait, il est préférable d’introduire une fine couche, dite couche tampon, entre ces deux composés afin d’optimiser les performances de la cellule. Cette couche doit avoir les propriétés suivantes:
une bande interdite intermédiaire permettant une transition souple entre celle du semi-conducteur et celle de l’ITO, soit une valeur comprise entre 2,4 et 3,2 eV ;
une conductivité de type n pour former la jonction avec la couche absorbante de type p ; de plus, afin d’éviter les effets de fuites de courant, sa conductivité doit être plus faible que celle de la couche absorbante soit de l’ordre de 10-3(Ωcm) -1 ;
morphologiquement elle doit être très homogène pour éviter tout effet de court-circuit au niveau des joints de grains.
la couche d’oxyde transparent conducteur (OTC) : Elle doit être simultanément transparente et conductrice. Dans le domaine du spectre solaire, la transmission des couches doit être supérieure à 80%. La conductivité de cette même couche doit être supérieure à 103 (Ωcm) -1. De telles propriétés sont obtenues en utilisant des couches minces de SnO2, In2O2, de leur alliage ITO et de ZnO. Leur transparence est liée à la valeur de leur bande interdite, tandis que, leurs propriétés électriques dépendent de la composition des couches et d’un éventuel dopage. On dépose généralement une première couche non dopée de ZnO, puis une couche dopée de ZnO : Al ou d’ITO. En effet, la couche de ZnO intrinsèque, donc non conductrice, évite toute fuite de courant entre la couche absorbante et le contact supérieur. Il a été montré que cette couche pouvait être évitée si l’on déposait une couche tampon (CdS par exemple) plus épaisse.
le substrat : Le substrat le plus couramment utilisé est le verre sodo-calcique, qui présente toutes les propriétés requises, par exemple il contient notamment du sodium, qui diffuse vers le CIS lors de l’étape de recuit. Son effet bénéfique sur le fonctionnement de la cellule a été démontré par de nombreux auteurs.
le contact arrière : Le contact arrière, qui constitue le pôle positif du générateur photovoltaïque, est un métal déposé sur la partie inférieure de l’absorbeur dont le rôle est de collecter les porteurs à partir de l’absorbeur et de les livrer à la charge externe. Il doit donc, répondre à certains critères chimiques, mécaniques et économiques. De nombreux métaux ont été étudiés comme le Tungstène, le Molybdène, le Chrome, le Tantale, le Manganèse, l’Or, l’Aluminium, l’Argent et le Cuivre. Parmi ces métaux, le Molybdène est le plus couramment utilisé pour contact arrière des cellules solaires CIS par les laboratoires de recherche et en industrie, en raison de sa stabilité relative aux températures élevées rencontrées lors du procédé de fabrication du CIS (de l’ordre de 550 à 600°C), et de sa faible résistance de contact avec le CIS.

La conductivité de la polyaniline

Le mécanisme de la conductivité de la polyaniline diffère des autres polymères électro conducteurs, car l’atome d’azote est introduit dans la formation du radical cationique, alors que dans les autres polymères électro conducteurs, l’ion radicalaire est formé de carbones.
L’atome d’azote est également impliqué dans le système de double liaison conjuguée. Par conséquent, la conductivité électrique de la polyaniline dépend à la fois des degrés d’oxydation et de protonation. La polyaniline sous forme de base émeraude peut être dopée sous forme conductrice de sel émeraude. La base émeraude, forme semi-oxydée, est constituée d’une quantité égale de sites amine (-NH-) et de sites imine (NH-). Les sites imines sont soumis à une protonation pour former des bipolaires ou des dications (forme de sel émeraude). La dissociation de bipolaire en polaire est réalisée en ajoutant simultanément deux électrons qui proviennent de deux imines.
Les électrons non répartis aux atomes d’azote sont des radicaux cationiques, c’est-à-dire des polarons. Le réseau polaire, responsable de la haute conductivité de la polyaniline sous forme de sel d’émeraude est formé par la redistribution des polarons le long de la chaîne de polymère. Bien que les deux méthodes théoriques bipolaire et polaire de la conductivité des sels d’émeraude aient été proposées , il a été récemment confirmé que, outre le fait que peu de spins bipolaires existent dans la polyaniline, la formation de polarons comme porteurs de charge explique la conductivité élevée de la polyaniline.

Table des matières

Introduction générale 
GÉNÉRALITÉS SUR LES CELLULES SOLAIRES EN COUCHE MINCE 
Introduction 
I.1.Principe de fonctionnement des cellules solaires 
I.2.Cellules solaires en couches minces 
I.2.1. Définition d’une couche mince
I.2.2.2. Couches minces de CdTe
I.2.2.3. Couches minces de CdS
I.2.2.4. Couches minces organiques
I.2.2.5. Diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2)
I.3.Etude de la cellule solaire à base de CuInSe2 
I.3.1. Fabrication d’une cellule solaire à base de CuInSe2
I.3.2. Les différentes composantes de la cellule solaire à base de CuInSe2
I.4.1. Définition
I.4.2.La conductivité de la polyaniline
I.5. Les propriétés du CuInSe2 
I.5.1. Les propriétés structurales du CuInSe2
I.5.2.Les propriétés électriques du CuInSe2
I.5.3. Les propriétés optiques du CuInSe2
Conclusion 
PROCÉDÉ D’ÉLABORATION DES COUCHES MINCES CIS PAR ÉLECTRODÉPOSITION AVEC L’INCORPORATION DE LA POLYANILINE 
INTRODUCTION
II.1. Méthode de synthèse chimique du CuInSe2 
II.1.1. Principe du dépôt électrochimique des couches minces CuInSe2
II.1.2. Dispositif expérimental du dépôt de CuInSe2
II.2. Le Mécanisme d’électrodéposition 
II.2.1. Transfert de masse
II.2.2. Transfert de charges
II.2.3. Les réactions de surface
II.3. Procédure de dépôt du CdS 
II.4. La polyaniline 
II.4.1. Synthèse de la polyaniline
II.4.2. Les propriétés de la Polyaniline et leur structure
II.4.2.1. Les propriétés thermiques de la polyaniline
II.5. Techniques de caractérisation des cellules solaires à base de CuInSe2
II.5.1. La diffraction des rayons X
II.5.1.1. Principe de la diffraction des rayons X
II.5.1.2. Conditions expérimentales
II.5.2. Analyse des rayons X par dispersion d’énergie (EDAX)
II.5.2.1. Analyse de la composition de l’énergie dispersive par rayons X (EDAX)
II.5.2.2. Avantages de l’analyse EDX
Conclusion
RESULTATS ET DISCUSSIONS
Introduction 
III.1. Analyses 
III.1.1. Analyse structurale
III.1.2. Analyse compositionnelle
III.1.3. Analyse optique
III.2. Caractéristiques I-V des cellules solaires
Conclusion 
Conclusion générale 
Bibliographie
Wébographie

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