PHOTOPILE MONOFACIALE A BASE DE DISELENIURE DE CUIVRE D’INDIUM ET DE GALLIUM CuInGaSe2 (CIGS)

Généralités sur les sources d’énergie 

 Depuis les années quatre-vingt, nous assistons à une augmentation considérable de la consommation mondiale de l’énergie, cette augmentation est due à l’augmentation de la population mondiale d’une part et l’explosion du développement industriel des pays industrialisés. Présentement la production de l’énergie est basée en grande partie sur les énergies non renouvelables à savoir le pétrole, le gaz naturel (GPL et GNV), le charbon (les houilles et anthracites; le charbon brun) et le nucléaire. Or ces énergies présentent de sérieux problèmes: sur le plan environnemental (la pollution, l e réchauffement de la terre et les changements climatiques) et sur le plan politique entre les états (les relations conflictuelles entre les pays pour commander les réservations de combustible fossile), ces sources sont épuisables. En présence de l’augmentation de la consommation mondiale de l’énergie, l’Homme sera condamné à trouver d’autres sources pour satisfaire la demande énergétiques des futures générations. Les énergies dites renouvelables sont la meilleure solution pour remédier à ces problèmes. La production de ces énergies est basée sur des ressources dont les stocks sont illimités [6] On distingue plusieurs types d’énergies renouvelables à savoir : l’énergie géothermique, l’énergie hydroélectrique, l’énergie éolienne, l’énergie de la biomasse, et l’énergie solaire.

 Les énergies non renouvelables

 Elle représente environ 86% de la production mondiale de l’énergie. 

 L’énergie nucléaire

 Dans le langage courant, l’énergie nucléaire correspond aux usages civils et militaires de l’énergie libérée lors des réactions de fission nucléaire des noyaux atomiques au sein d’un réacteur nucléaire ou lors d’une explosion atomique (dans le cas d’une bombe thermonucléaire il existe aussi des réactions de fusion nucléaire). En physique des particules, l’énergie nucléaire est l’énergie associée à la force de cohésion des nucléons, la force nucléaire forte (protons et neutrons) au sein du noyau des atomes. Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires. La force nucléaire faible régit les réactions entre particules et neutrinos. Il y a deux sortes de réactions susceptibles de produire de l’énergie nucléaire : *La fusion : La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s’unissent pour former un noyau d’hélium plus un neutron (Figure 1). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d’énergie provenant de l’interaction forte, bien plus importante que la répulsion électrostatique entre les constituants des noyaux légers. Ceci se traduit par un défaut de masse ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d’origine. Cette réaction n’est cependant possible qu’à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l’état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l’explosion d’une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l’explosion thermonucléaire (bombe H). Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l’énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d’obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l’énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l’usage civil de l’énergie de fusion nucléaire pour la production électrique [7] Figure 1:Exemple de fusion nucléaire *La fission Lorsqu’un neutron percute le noyau de certains isotopes lourds, il existe une probabilité que le noyau percuté se scinde en deux noyaux plus légers. Cette réaction, qui porte le nom de fission nucléaire, se traduit par un dégagement d’énergie très important (de l’ordre de200 MeV par Chapitre1: Généralités sur les sources d’énergies et présentation de la cellule solaire à base de CIGS événement, à comparer aux énergies des réactions chimiques, de l’ordre de l’eV).Cette fission s’accompagne de l’émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d’autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne ( Figure 2.)° Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule dans des conditions stables, à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, où la matière est placée brusquement très loin de son domaine de stabilité, la réaction se multiplie si rapidement qu’elle conduit à une réaction explosive. L’importance de l’énergie émise lors de la fission provient du fait que l’énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs. D’après le CEA (Le commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), l’énergie produite par 1 kg d’uranium naturel dans un réacteur nucléaire est égale à l’énergie de 10 tonnes équivalent pétrole [8] Figure 2:Exemple de fission nucléaire 

Le charbon 

Le charbon est une roche sédimentaire d’origine organique contenant au moins 50% de carbone. Au cours de plusieurs millions d’années, l’accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d’oxydo-réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (moins de 50 %), le lignite (50 à 60 %), la houille (60 à 90 %) et l’anthracite (93 à 97 %).Le charbon couvre 28,9 % des besoins énergétiques mondiaux en 2013, le charbon est actuellement la seconde ressource énergétique de l’humanité, derrière le pétrole (31,1 %), et la première source d’électricité avec 41,3 % de la production en 2013. Près des trois quarts de la consommation mondiale en 2015 sont concentrés sur trois pays : Chine 50 %, Inde 10,6 % et États-Unis 10,3 %. Les réserves mondiales de charbon sont estimées à 891,5 milliards de tonnes fin 2015, dont 26,6 % aux États-Unis, 17,6 % en Russie et 12,8 % en Chine [9] Le charbon a été utilisé comme combustible dès le XIe siècle ; son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIXe siècle. La combustion du charbon est responsable de 46 % des émissions de CO2 dues à l’énergie en 2013, contre 34 % pour le pétrole et 20 % pour le gaz naturel. Pour atteindre l’objectif des négociations internationales sur le climat de maintenir la hausse des températures en deçà de 2 °C par rapport à l’ère préindustrielle, il faudrait globalement s’abstenir d’extraire plus de 80 % du charbon disponible dans le sous-sol mondial, d’ici à 2050. Dans son appellation courante, le terme désigne généralement la houille. Autrefois, il était appelé charbon de terre en opposition au charbon de bois. La production de charbon ne cesse d’augmenter et représente 39% de l’énergie produite dans le monde, soit 250 000 kilos de charbon chaque seconde, soit près de 7,9 milliards de tonnes de charbon par an. Le charbon assure 40 % de la production mondiale d’électricité, taux bien supérieur en Chine (80 %) et en Inde (68 %). En 2013 la production mondiale a été de 7,896 millions de tonnes. En 2011 la production mondiale a été de 7.678 millions de tonnes (contre 4.677 Mt en 1990). Les principaux producteurs mondiaux ont été la Chine (3.471 Mt en 2011) les États-Unis (1.000 Mt), l’Inde (585 Mt), l’Australie, l’Indonésie et la Russie [10] D’une façon générale, on distingue au niveau mondial trois principaux types de charbon: *La houille Elle est une roche carbonée sédimentaire correspondant à une qualité spécifique de charbon, intermédiaire entre le lignite et l’anthracite (soit 80 à 90 % de carbone)(Figure 3). De couleur noirâtre, elle provient de la carbonisation d’organismes végétaux et peut donc servir de fossile. Ce combustible est utilisé depuis le XIe siècle et son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIXe siècle. Depuis, la houille constitue une des principales sources d’énergie des pays industrialisés. L’appellation courante de charbon désigne généralement la houille. Figure 3:Morceau de houille *L’anthracite : L’anthracite est une roche sédimentaire d’origine organique (Figure 4) C’est une variété de charbon grise, noirâtre et brillante extraite des mines. Dans le processus (géologique) naturel de formation du charbon, c’est le stade le plus achevé de la houillification ; il contient 92 à 95 % de carbone, ce qui en fait un des charbons les plus riches en carbone et les plus caloriques (cependant, il semblerait que différentes qualités d’anthracite soient présentes sur le marché du charbon). Figure 4: Morceau d’anthracite *Le charbon brun: Le charbon brun a un pouvoir calorifique inférieur à de23.9GJ/t.Il inclue les lignites, dont le pouvoir calorifique est en deçà de17.4GJ/t.La transformation en électricité sur place est à plus de 90%. 

Le gaz naturel 

Il est un mélange gazeux d’hydrogènocarbures naturellement présent dans certaines roches poreuses. Il est utilisé comme combustible fossile ou par la carbochimie. Avec 21,4 % de l’énergie consommée en 2013, il est la troisième source d’énergie la plus utilisée au monde, après le pétrole (31,1 %) et le charbon (28,9 %) ; sa part a fortement progressé elle n’était que de 16 % en 1973. L’exploitation non-conventionnelle du gaz naturel étant récente, l’étendue de ses réserves est encore assez mal connue. En 2015, selon BP(British Pétroleum), les réserves mondiales prouvées, en hausse de 18,8 % par rapport à 2005 et de 56 % par rapport à 1995, correspondaient à 52,8 ans de production. Elles étaient concentrées pour 42,8 % au MoyenOrient. L’Iran, la Russie et le Qatar détenaient à eux seuls 48,6 % des réserves mondiales. L’Agence internationale de l’énergie évalue les émissions mondiales de CO2 dues au gaz naturel à 6 381 Mt (millions de tonnes) en 2013, en progression de 73,5 % depuis 1990 ; ces émissions représentent 20 % des émissions dues à l’énergie, contre 46 % pour le charbon et 34 % pour le pétrole. Le secteur gazier engendre en outre des émissions de méthane (CH4), gaz dont le potentiel de réchauffement global est 25 fois plus élevé que celui du CO2. [12] L’usage du gaz naturel dans l’industrie, les usages domestiques puis la production d’électricité, se développait rapidement depuis les années 1970 et était sur le point de devancer le charbon. Cependant, avec le renchérissement observé depuis le début du XXIe siècle, les tassements dans la consommation des pays développés, les besoins des pays émergents et les progrès réalisés dans le traitement du charbon, ce dernier tend à retrouver un certain essor. Pour autant, la production mondiale de gaz naturel a enregistré une croissance de 27 % entre 2005 et 2015. Cette progression tient notamment à l’exploitation récente des gaz non conventionnels. En 2010, les États-Unis sont ainsi devenus grâce à eux les premiers producteurs de gaz naturel, déclassant la Russie. En 2015, les États-Unis ont produit 22 % du total mondial et la Russie 16,1 % ; cette dernière reste néanmoins largement en tête en termes d’exportations, devant le Qatar. Les principaux consommateurs de gaz naturel sont en 2015 les États-Unis (22,8 %), la Russie (11,2 %), la Chine (5,7 %) et l’Iran (5,5 %). La consommation mondiale a progressé de 25 % entre 2005 et 2015, alors qu’elle a baissé de 28 % au Royaume-Uni, 22 % en Italie et 14 % en Allemagne, mais bondi de 309 % en Chine. [12, 13] Deux filières de gaz sont aujourd’hui considérées : *Le gaz de pétrole liquéfié (GPL): Le gaz de pétrole liquéfié, abrégé en GPL (appellation utilisée en France) ou LPG (dans les autres pays francophones, tels que la Belgique et le Luxembourg) est un mélange d’hydrocarbures légers, stocké à l’état liquide et issu du raffinage du pétrole pour 40 % et de traitement du gaz naturel pour 60 %. Les hydrocarbures constituant le GPL, dans son appellation officielle, sont essentiellement le propane et le butane ; le mélange peut contenir jusqu’à 0,5 % d’autres hydrocarbures légers tels que le butadiène [13] *Le gaz naturel pour véhicule (GNV) Le gaz naturel pour véhicules (abrégé en GNV) est du gaz naturel utilisé comme carburant automobile. Le gaz naturel est constitué d’environ 97 % de méthane, il s’agit du même gaz que celui distribué en France sur le réseau de GRDF (Gaz Réseau Distribution France) et qui est utilisé par les particuliers pour la cuisine ou le chauffage. Le GNV est généralement stocké sous pression (200 bars) dans des réservoirs spécifiques à l’intérieur du véhicule, mais des essais ont également été faits avec du gaz stocké en phase liquide. Il est aussi possible d’utiliser du méthane produit (dans une moindre mesure) dans des stations de méthanisation (usines de traitement des ordures ménagères, stations d’épuration et digesteurs agricoles) 

 Le pétrole 

Le pétrole (en latin petroleum, du grec petra, « roche », et du latin oleum, « huile ») est une roche liquide d’origine naturelle, une huile minérale composée d’une multitude de composés organiques, essentiellement des hydrocarbures, piégée dans des formations géologiques particulières. L’exploitation de cette source d’énergie fossile et d’hydrocarbures est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le pétrole fournit la quasi-totalité des carburants liquides : fioul, gazole, kérosène, essence, GPL, tandis que le naphta produit par le raffinage est à la base de la pétrochimie, dont sont issus un très grand nombre de matériaux usuels :plastiques, textiles,synthétiques, caoutchoucs synthétiques(élastomères), détergents, adhésifs, engrais, cosmétiques, etc., et que les fractions les plus lourdes conduisent aux bitumes, paraffines et lubrifiants. Le pétrole dans son gisement est fréquemment associé à des fractions légères qui se séparent spontanément du liquide à la pression atmosphérique, ainsi que diverses impuretés comme le dioxyde de carbone, sulfure d’hydrogène, l’eau de formation et des traces métalliques. Avec 31,1 % de l’énergie primaire consommée en 2013, le pétrole est la source d’énergie la plus utilisée dans le monde devant le gaz naturel (21,4 %) et le charbon (28,9 %) ; sa part a fortement reculé : elle atteignait 46,2 % en 1973. En 2015, selon BP (British Pétroleum), les réserves mondiales prouvées de pétrole atteignaient 239,4 milliards de tonnes, en progression de 23,5 % par rapport à 2005 et de 51 % par rapport à 1995. Elles représentaient 50,7 années de production au rythme de 2015. L’Agence internationale de l’énergie évalue les émissions mondiales de CO2 dues au pétrole à 10 825 Mt (millions de tonnes) en 2013, en progression de 27,3 % depuis 1990 ; ces émissions représentent 34 % des émissions dues à l’énergie, contre 46 % pour le charbon et 20 % pour le gaz naturel.