République Algérienne Démocratique et Populaire علميلي والبحث اللعاتعليم ا وزارة الMinistère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF Faculté des sciences Département de physique Spécialité : Physique Option : Technologie des Matériaux et physique des dispositifs MEMOIRE Présenté par BENHENNI Saliha Pour l’obtention du diplôme de Magister en physique Thème Soutenue le : …/.../2012. Devant la commission d’examen composée de : Président: Mr. HIADSI Saïd Professeur U.S.T.O (M B) Rapporteur : Mr. ADNANE Mohammed Professeur U.S.T.O (M B) Examinateur: Mr. HAMZAOUI Saad Professeur U.S.T.O (M B) Examinateur: Mr. BAGDAD Rachid M.conf.A U. Tiaret Invité : Mr. ZERDALI Mokhtar M.conf.B U.S.T.O (M B) Année Universitaire 2011/2012 Elaboration et caractérisation des couches minces CIS par voie chimique colloïdale et SILAR et leurs applications dans les cellules solaire
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des couches minces CIS par voie chimique colloïdale et ...
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République Algérienne Démocratique et Populaire
وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF
Faculté des sciences
Département de physique
Spécialité : Physique Option : Technologie des Matériaux
et physique des dispositifs
MEMOIRE
Présenté par
BENHENNI Saliha
Pour l’obtention du diplôme de Magister en physique
Thème
Soutenue le : …/.../2012.
Devant la commission d’examen composée de :
Président: Mr. HIADSI Saïd Professeur U.S.T.O (M B)
Rapporteur : Mr. ADNANE Mohammed Professeur U.S.T.O (M B)
Examinateur: Mr. HAMZAOUI Saad Professeur U.S.T.O (M B)
Examinateur: Mr. BAGDAD Rachid M.conf.A U. Tiaret
Invité : Mr. ZERDALI Mokhtar M.conf.B U.S.T.O (M B)
Année Universitaire 2011/2012
Elaboration et caractérisation des couches minces CIS par
voie chimique colloïdale et SILAR et leurs applications dans
les cellules solaire
Remerciements
Ce mémoire a été réalisé au sein du laboratoire de Microscopie Electronique et Sciences des
Matériaux « L.M.E.S.M » de l’université des Sciences et de la Technologie d’Oran
« Mohammed Boudiaf »
Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Saad HAMZAOUI Professeur et directeur du
laboratoire de Microscopie Electronique et Sciences des Matériaux (L.M.E.S.M) à l’université
des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohammed Boudiaf de m’avoir reçu au sein de son
laboratoire, pour ces précieux conseils qu’il m’a donné et pour ces connaissances théoriques
et expérimentales que j’ai exploité durant mon mémoire de magistère et qui a accepté aussi de
juger mon travail.
Je tiens à remercier énormément mon rapporteur Monsieur Mohamed ADNANE Professeur à
l’université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohammed Boudiaf pour ses conseils
ainsi que ces connaissances scientifiques qui m’ont aidé à mener mon travail dans des bonnes
conditions.
Je tiens à remercier Monsieur Saїd HIADSI Professeur à l’université des Sciences et de la
Technologie d’Oran Mohammed Boudiaf pour ses qualités humaines et d’avoir accepté de
présider mon jury de thèse.
Je tiens à remercier Monsieur Saad HAMZAOUI Professeur à l’université des Sciences et
de la Technologie d’Oran Mohammed Boudiaf d’avoir accepté de présider mon jury de thèse.
Je tiens à remercier Monsieur Rachid BAGHDAD Maître de conférences A à l’Université de
Tiaret qui a bien, voulu juger ce travail en acceptant de faire partie de mon jury.
Je tiens à remercier Denis CHAUMONT MCF-HDR Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de
Bourgogne ICB (Université de Bourgogne) pour les caractérisations optique de nos couches.
Je tiens aussi à remercier également Nicolas GEOFFROY qui fait les caractérisations DRX
de notre travail.
Mes remerciements les plus chaleureux vont également :
À toutes les personnes que j’ai côtoyées au L.M.E.S.M en particulier Monsieur M.
ZERDALI, T. SAHRAOUI, H. BOUZIANE et Mme Y.BAKHA.
à tous mes collègues du laboratoire de Microscopie Electronique et Science des Matériaux
(L.M.E.S.M) avec qui j’ai partagé ces années de post graduation.
Résumé
Résumé
Dans ce travail, nous avons concentré notre attention sur l’élément de base qui entre dans la
fabrication des cellules solaires en couches minces a base de CIS.
Nous avons élaboré des couches de CuInS2 de type p et n suivant deux techniques :
La technique pyrolyse spray pour élaborer les couches de type P suivant le rapport de
concentration Cu\In=1 dans la solution initiale ;pour deux températures T=290°C et
T=340°C
L’élaboration des couches minces par la technique de spray pyrolyse exige le bon contrôle des
paramètres de dépôt tels que la distance buse-substrat et la température de dépôt, Pour assuré
une reproductibilité et l’homogénéité des couches élaborées.
Nous avons caractérisé ces couches minces par des méthodes variées :
La diffraction de rayons X (DRX) pour l’étude structurale,
La spectroscopie UV-Visible pour l’étude des propriétés optiques
La morphologie de ces couches.
La méthode des quatre pointes et deux pointes pour déterminer les propriétés
électriques de nos couches ainsi que des mesures de conductivité.
XPS pour déterminer composition chimique des couches de CIS.
La voie colloïdal pour élaborer des couches de type N suivant le rapport x= [Cu]/[In]
pour des couches de type N il faut que [Cu]/[In]< 1.
Est une technique aussi simple mais elle demande des conditions comme la propreté et
pendant tout le temps de dépôt on doit travailler dans une boite à gants et sous argon que ce
soit pour la pausé ou le dépôt.
Nous avons caractérisé ces couches minces par des méthodes variées :
La spectroscopie UV-Visible pour l’étude des propriétés optiques
La morphologie de ces couches.
La méthode des quatre pointes et deux pointes pour déterminer les propriétés
électriques de nos couches ainsi que des mesures de conductivité.
La caractérisation I(V) des jonctions montre un contact ohmique pour SnO2\CIS ou
une diode pour les deux jonctions ZnO :Sn/CIS et ZnO :Al/CIS.
Mot clé : CIS, SILAR, Colloïdale, Cellules solaires
Sommaire
Remerciement
Résumé
Table de matière
Introduction général
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
I.1Les sources d’énergie et l’énergie renouvelable 2
I.1.1 Introduction 2
I.1.2 Les énergies renouvelables 3
I.1.3 Les avantages de l'énergie renouvelable en Algérie 3
I.1.4 Obstacle et empêchement de généralisation d'énergie renouvelable en Algérie 3
I.1.5 L'énergie solaire en Algérie 4
PARTIE 2 : 5
I.2L’énergie photovoltaïque et les types des cellules solaires : 5
I.2.1Histoire de l’énergie photovoltaïque 5
I.2.2Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 7
I.2.3 Les différents types de cellules solaires 8
I.2.4 Les différents composants d’une cellule solaire à base de CIS 11
I.2.5Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque 12
Référence : 14
Chapitre II Propriétés des couches minces CIS et techniques d’élaboration
II.1Introduction : 16
II.2 les propriétés de CIS 17
II.2.1 La structure cristalline de CIS 17
II.2.2 Propriétés électroniques, et optiques 21
II.2.3 Propriétés électriques 23
II-3 Méthodes d’élaboration des couches minces 25
II-3-1 Méthodes physiques 26
II-3-1-1 dépôt physique en phase vapeur (PVD) 26
II-3-1-2 dépôt par pulvérisation cathodique 26
II-3-1-3 Pulvérisation ionique 29
II-3-1-4 Ablation laser 29
II-3-1-5 Epitaxie par jet moléculaire (MBE) 31
I-3-2 Méthode chimique 31
II-3-2-1 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : 31
II-3-2-2 Méthode colloïdale 33
II-3-2-3 Méthode sol gel 33
II-3-2-4 Spray pyrolyse 35
II.3.2.4 SILAR : 35
Références 40
Chapitre III procédure expérimentale et technique de caratérisation
III.1 Introduction 43
III.2. Préparation des substrats 43
III.3 Nettoyage de substrats 43
III.4. Procédure expérimentale : 44
III.4.1 Spray 44
III.4.2. Colloïdal : 50
III.5. Conditions de dépôt de nos filmes 53
III.6 Techniques de caractérisation 54
III.6.1 Spectrophotométrie XPS 55
III.6.2.Le Microscope électronique à balayage (MEB) 56
II.6.3 Caractérisations optiques 57
III.7 Diffraction de rayons X 61
III.7.1. Principe 62
III.7.2. Détermination des distances interarticulaires et des paramètres de maille 63
III.7.3. Détermination de la taille des grains 64
III.7.3 Détermination des coefficients de texturations 65
III.8 les mesures électriques 65
III.8.1.la technique de la pointe chaude 65
III.8.2 la technique de quatre pointes 66
Reference: 69
Chapitre IV Résultats et discussions
Partie 1 : les résultats et discussion pour spray pyrolyses 71
IV .1.1Les condition de dépôt : 71
IV .1.2 Les caractérisations des couches élaborées : 73
IV .1.2.1 Morphologie des échantillons 73
IV .1.2.2 Composition des films analyse XPS 74
IV .1.2.3 Caractérisation structurale 75
IV.1.2.4 Spectres de Transmittance pour CIS 80
IV.1.2.5 Les mesures électriques : 82
Partie 2: les résultats et discussion pour la voie colloïdal 83
IV.2.1 Spectres de Transmittance pour CIS 83
IV.2.2 Les mesures électriques 84
Partie 3 : Les hétérojonctions 85
IV.1 Introduction 85
IV.2 Caractérisation I(V) de contacte ZnO : Sn / CIS : 86
IV.3 Caractérisation I(V) de contacte SnO2: F/CIS : 87
IV.4 Caractérisation I(V) de contacte ZnO: Al / CIS : 87
Conclusion général 89
Introduction générale
L'évolution des activités humaines au cours du vingtième siècle, a entraîné une forte
augmentation de la consommation d'énergie. Une grande partie de cette énergie est produite
en brûlant les combustibles fossiles. Cependant, les problèmes inhérents à l’utilisation des
combustibles fossiles, tels que leur disponibilité en quantité limitée et leurs effets nuisibles sur
le plan environnemental et politique, forcent l’humanité à rechercher une nouvelle source
énergétique.
Une des solutions les plus prometteuses pour le future énergétique de l’humanité, est le
photovoltaïque. L’énergie photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en
électricité.
Cette conversion se produit au sein de matériaux semi-conducteurs, qui ont comme propriété
de libérer leurs porteurs de charge (les électrons et les trous) sous l’influence d’une excitation
extérieure.
Un des principaux obstacles pour que le photovoltaïque deviendra plus populaire, est le coût
par watt d'électricité produite par le photovoltaïque qui est dans la plupart des cas non
concurrentiel au celui produit par les méthodes conventionnelles [1].
L’un des moyens proposés pour la diminution du coût par watt, est de diminuer le coût de
fabrication de la cellule photovoltaïque ; autrement dit, diminuer considérablement la quantité
de matériaux semi-conducteurs entrants dans la composition de chaque cellule et augmenter
sa durée de vie. Afin de remettre à ces problèmes, plusieurs types de semi-conducteurs
ternaires et quaternaires peuvent être proposés sous forme des couches minces. Parmi les
semi-conducteurs ternaires les plus promoteurs pour la fabrication des cellules solaires en
couches minces, le sulfure de cuivre et d’indium CuInS2, noté CIS, sous sa forme
chalcopyrite.
Les cellules solaires à base de ce matériau atteint des rendements élevés 19 %. [1,2]
Les propriétés de ce semi-conducteur sont fonctions de sa technique d’élaboration et de
plusieurs paramètres expérimentaux. [3]
La pyrolyse Spray et le colloïdal sont deux méthodes de déposition des métaux, des semi-
conducteurs et des couches minces d'oxydes transparents (Conducting oxide thin films) en
phase liquide. Par rapport aux autres techniques de dépôt, spray et colloïdale sont des
techniques non coûteuse, facile à mettre en œuvre.
Ce manuscrit se contiens quatre chapitres :
Introduction générale
Le premier chapitre est définit les des différentes sources d’énergie existantes, à savoir les
énergies renouvelables et non renouvelables. Dans ce contexte nous montrerons l’importance
des énergies non renouvelables, notamment l’énergie photovoltaïque.
Dans la seconde partie nous allons décrire l’effet photovoltaïque, ensuite un aperçue sur les
constituants d’une cellule solaire et la détermination de ses paramètres physiques, et nous
terminerons ce chapitre par des brèves définitions des différents types de cellules solaires
commercialisées.
Dans le deuxième chapitre, nous faisons une présentation assez générale des propriétés des
couches CIS propriétés structurales, optiques et électriques, qui sera suivie d'une description
des techniques expérimentales les plus sollicitées pour l’élaboration de ce semi-conducteur.
Et comme notre travail porte sur l’élaboration du CuInS2 par les techniques :spray et colloïdal,
ces dernières seront présentées avec plus de détail.
Dans le troisième chapitre, nous présentons les démarches expérimentales et les conditions
expérimentales de préparation des échantillons. Nous allons ensuite présenter le principe des
techniques de caractérisation utilisées le long de ce travail à savoir la diffraction des rayons
X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectrophotométrie UV-Visible
et les quartes pointe, ainsi que les modèles théoriques utilisés pour l’exploitation des résultats
obtenus.
Enfin, dans le quatrième chapitre, nous allons présenter les résultats expérimentaux et leurs
interprétations.
Ce dernier chapitre est organisé en trois parties. La première partie sera consacrée à
l’élaboration des couches de CIS par la technique SPRAY à T=290°C et à T=340°, la
deuxième partie élaboration des couches CIS par la voie colloïdale avec déférentes
caractérisations morphologie structurale électrique et surfacique ; nous terminerons ce
chapitre par la réalisation et la caractérisation des hétérojonctions :ZnO :Sn/CIS et
ZnO :Al /CIS.
Bonne lecture.
Introduction générale
Référence de l’introduction générale
[1] M. Kemell, Academic Dissertation, Université de Helsinki, Finland, (2003).
[2] M.A. Contreras, B. Egaas, K. Ramanathan, J. Hiltner, A. Swartzlander, F. Hasoon,
R. Noufi, Prog. Photovolt. Res. Appl., 7 (1999) 311.
[3] A. BOURAIOU thèse de doctorat. Université de Mantouri Constantine 2008.
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
1
Chapitre I
L’énergie renouvelable l’effet photovoltaïque et les types des
cellules photovoltaïques.
Les différentes sources d'énergie dont on dispose dans le monde, mis à part les énergies
Nucléaire et géothermique, sont toutes d'origine solaire.
En effet, même le charbon et le pétrole proviennent des plantes, tributaires du soleil.
La nature transforme donc l'énergie solaire en bien autres sources, mais jamais en électricité.
Pour arriver jusqu'à ce stade, l'homme est obligé d'appliquer à ces sources des transformations
supplémentaires qui vont diminuer le rendement global de conversion d'énergie dans ce qui
suit, nous allons en premier lieu mettre l'accent sur les différentes sources d'énergies
existantes dans le monde, en spécifiant le photovoltaïque comme méthode de conversion
directe des photons solaires en électricité.
Et on termine par un rappel sur les différents types de cellules solaires photovoltaïques ainsi
que la détermination des paramètres physiques de la cellule solaire.
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
2
I.1Les sources d’énergie et l’énergie renouvelable
I.1.1 Introduction
Pendant les dernières décennies, la consommation mondiale de l'énergie a considérablement
augmenté, cette augmentation est due à l'augmentation de la population mondiale d'une part et
l'explosion du développement industriel des pays industrialisés. Actuellement la production
de l'énergie est basée sur les énergies non renouvelables à savoir le pétrole, le gaz naturel, le
charbon et l'uranium (voir figure I.1). Plus les deux sérieux problèmes posés par ces énergies
sur le plan écologique (la pollution et le réchauffement de la planète) et sur le plan politique
entre les pays (les conflits entre les états pour commander les réservations de combustible
fossile), ces sources sont épuisables. Et suite à l'augmentation du taux de consommation
mondiale de l'énergie, l'homme sera condamné à trouver d'autres sources pour satisfaire les
besoins énergétiques des futures générations. [1]
Les énergies dites renouvelables sont la meilleure solution pour dépasser ces problèmes.
La production de ces énergies est basée sur des forces ou des ressources dont les stocks sont
illimités. [2]
Figure I.1 : évaluation de la consommation mondiale de l’électricité (Mtep) [2]. [3]
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
3
I.1.2 Les énergies renouvelables
Actuellement, le problème inhérent à l'utilisation des énergies non renouvelables, c'est leur
disponibilité en quantité limitée et leurs effets nuisibles sur le plan environnemental, ce qui a
forcé l'humanité à rechercher des nouvelles sources d'énergie.
Ces sources sont inépuisables et elles sont également peu ou pas polluantes, l'énergie solaire,
éolienne, géothermique ne rejettent aucune pollution lorsqu'elles produisent de l'énergie.
Elles présentent aujourd'hui 14 % environ de la production mondiale de l'énergie. [1]
Cette situation particulière rend difficile et très coûteuse l’acheminement des énergies
conventionnelles et plus spécialement l’énergie électrique.
Le potentiel énergétique solaire permet de pallier à certaines lacunes, quant à l’amélioration
des conditions de vie des citoyens par le biais de la voie solaire d’origine photovoltaïque,
cette voie permet d’assurer en autres :
– L’éclairage domestique et éventuellement public.
– L’alimentation en eau potable et l’irrigation des surfaces agricoles.
– L’alimentation des conservateurs médicaux installés dans des centres de santé.
– L’alimentation énergétique des moyens de télécommunications. [4]
I.1.3 Les avantages de l'énergie renouvelable en Algérie
L'utilisation des énergies renouvelables en Algérie constitue plusieurs avantages :
Les énergies renouvelables sont non polluantes et sont utilisées pour compléter les
combustibles fossiles et l'énergie nucléaire non renouvelables du fait de leur caractère
inépuisable ;
Le développement d'utilisation d'énergie renouvelable en Algérie et au Sud en
particulier sera une stratégie d'intégration de toute la région dans une économie qui
crie la richesse et le développement du cadre de vie des habitants.
L'utilisation des énergies renouvelables peut aussi être un facteur de création
d'emplois, vue les potentiels énormes et des retombées positives en matière d'équilibre
régional.
I.1.4 Obstacle et empêchement de généralisation d'énergie renouvelable en Algérie
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
4
L'énergie renouvelable en Algérie rencontre des obstacles qui empêchent l'utilisation,
comme :
Le coût qui est toujours élevé des équipements ;
Absence des usines de fabrications des panneaux solaires ;
Absence d'information sur les avantages des énergies renouvelables (publicité,
documents audio visuels, journaux spécialisés) ;
Manque d'investissements privés dans le domaine.
L’énergie renouvelable qui nous intéresse c’est l’énergie solaire. [5]
I.1.5 L'énergie solaire en Algérie
L'Algérie dispose des gisements solaires les plus élevés au monde, la durée d'insolation sur la
quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et peut atteindre les
3900 heures aux hauts plateaux et Sahara [10,11].
Le (tableau I.1) indique le taux d'ensoleillement pour les régions de l'Algérie.
Ce potentiel peut constituer un facteur important de développement durable dans ces régions,
s'il est exploité de manière économique.
Le volet de l'énergie solaire le plus utilisé dans notre pays est le solaire photovoltaïque, le
volet solaire thermique reste toujours au stade d'expériences.
La division de l'Energie Solaire Photovoltaïque, issue du Département Energie Solaire du
Centre de Développement des Energies Renouvelables (CDER), sis Bouzareah - Alger a pour
principale mission, la matrice des dispositifs et des systèmes photo- voltaïques nécessaires,
pour assurer la conversion de l'énergie solaire radiative en énergie électrique directement
utilisable pour pompage de l'eau, production de froid, éclairage domestique et public,
alimentation énergétique pour les télécommunications, électrification rurale, etc.
Au sud algérien les premières expériences pour la transformation directe des radiations
solaires en électricité par le biais de modules photovoltaïques ont été effectuées au début des
années quatre-vingt, où la première station d'énergie solaire a été installée à Melouka par une
société du royaume de Belgique [12].
Dernièrement, en trouve que la Station d'Expérimentation des Equipements Solaires.
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
5
Tableau I.1 Potentiel solaire en Algérie
PARTIE 2 :
I.2L’énergie photovoltaïque et les types des cellules solaires :
I.2.1Histoire de l’énergie photovoltaïque
L'énergie photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité.
Cette conversion se produit au sein de matériaux semi-conducteurs, qui ont comme propriété
de libérer leurs porteurs de charge sous l'influence d'une excitation extérieure.
La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par
le Français Edmande Becquerel en 1839 [6]. Il a découvert l'effet photovoltaïque par
l'apparition d'un potentiel électrique entre deux électrodes lorsqu'elles sont illuminées.
Le mot photovoltaïque trouve ses racines dans le mot grec ; phôtos, qui signifie lumière
(photon) et dans; Volta, nom du physicien italien qui découvrit la pile électrique en 1800.
En 1875, Werner Von Siemens expose devant l'Académie des Sciences de Berlin un article
sur l'effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu'à la seconde guerre mondiale,
cette découverte reste comme une curiosité scientifique dans les laboratoires.
En 1954, la première cellule photovoltaïque en silicium avec un rendement de 4.5 % a été
mise au point par des chercheurs du laboratoire Belle aux USA [7]. Par la suite, lors des
premiers lancements des satellites et les missions lunaires, les cellules solaires eut un regain
d'intérêt et elles sont considérées comme une meilleure solution pour l'alimentation électrique
des satellites.
En 1958, une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point et les premiers satellites
alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l'espace. D'autre part, suite à la crise
économique des années 1970, la flambée des prix du pétrole en 1973 et les accidents des
installations nucléaires Three Mile Island (USA 1979) et Tchernobyl (URSS 1986), ce qui
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
6
renforcent l'intérêt du grand public envers les énergies renouvelables. En 1973, l'Université de
Delaware installe la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques. En 1983, la
première voiture alimentée par l'énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 km en
Australie. En 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été
lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.
La forte pression du programme spatial engendre des progrès très rapide en termes de
rendement des cellules photovoltaïques (Voir figure I.2). De 8 % en 1957, et 9 % en 1958, on
atteint10 % en 1959 pour arriver à 14 % en 1960. Les années soixante voient un
ralentissement de l'évolution du rendement des cellules au silicium mais des progrès rapides
en ce qui concerne les cellules à base de CdS, qui sont au nombre de deux ; les cellules Cu2S-
CdS et les cellules CdTe-CdS.
En 1973, les rendements record en laboratoire pour le silicium cristallin étaient déjà de 15 %.
Entre 1973 et 1976 débutèrent aussi des couches minces à base de CuInSe2 et à base de
silicium amorphe. Celles-ci ont rapidement rattrapé les couches minces déjà existantes à base
de CdTeetCu2S et ensemble ces quatre filières ont franchi la barrière des 10 % de rendement
vers 1980.
Jusqu'au début des années quatre-vingt-dix les trois couches minces restantes ont évolué
ensemble jusqu'aux environs de 15 %, puis le CuInSe2 a évolué par ajout de gallium en Cu(In,
Ga)Se2pour devenir le leader avec 18.8 % obtenu en décembre 1999 [8]. Mais les couches
minces n'ont pas rattrapé le silicium cristallin en rendement record, car celui-ci a continué son
évolution pour atteindre 24 % de rendement en 1994, et 24.7 % en 1999 [9].
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
7
Figure I.2: Évolution des rendements record de laboratoire pour les différents types de
photopiles [9].
I.2.2Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque ou cellule solaire ou encore photopile est un composant
électronique capable de fournir de l’énergie électrique s’il est éclairé convenablement.
Le principe général est le suivant :
L’absorption de photons d’énergie suffisante (E >Eg) dans le semi- conducteur (couche
absorbante), génère des paires électrons-trous. Ces charges électriques sont séparées par un
champ électrique interne (jonction) et collectées entre une grille face avant et un contact
ohmique réalisé face arrière de la cellule puis débitées dans la charge. La cellule
photovoltaïque constitue ainsi un générateur électrique élémentaire.
Figure I.2 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire à base de CIS
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
8
I.2.3 Les différents types de cellules solaires
La conversion photovoltaïque nécessite l’utilisation d’une couche photoconductrice, dite
couche absorbante, qui transforme le rayonnement lumineux en paires électrons trous. Par la
suite, ces porteurs créés sont collectés en réalisant une jonction à la surface de cette couche
absorbante.
Cette jonction peut être soit une homo-jonction, c’est le cas de la filière classique silicium,
soit une hétérojonction, c’est à dire une jonction avec deux semi-conducteurs différents, soit
une jonction Schottky, c’est à dire un contact métal-semi-conducteur. Dans le domaine des
couches minces, il existe trois principales filières:
- la filière du silicium microcristallin et/ou amorphe
- la filière Tellurure de Cadmium / Sulfure de Cadmium
- la filière des composés à structure chalcopyrite (CIS).
a- La filière Silicium en couches minces
Le silicium amorphe a-Si possède une bande interdite de l’ordre de 1,8 eV. Elle peut être
diminuée de quelques dixièmes d’électronvolt en implantant de l'hydrogène. Son coefficient
d’absorption optique est 100 fois supérieur à celui du monocristal. Son handicap majeur est la
faible mobilité des porteurs, ce qui limite le rendement. De plus l’effet Staebler-Wronski qui
consiste en une dégradation, souvent irréversible, des propriétés des films constituent un frein
au développement de son utilisation.
Des cellules amorphes avec des rendements excédant légèrement les 10% ont été réalisées
tandis que les triples jonctions ont donné des rendements de plus de 13%.Aujourd’hui les
piles solaires en silicium amorphe sont principalement employées pour des biens de
consommation (montres, calculatrices...), mais peu utilisées dans le cadre des installations
solaires (seulement 4% du marché photovoltaïque).
Davantage de conception de technologie mène à l'apparition des cellules tandem de silicium
amorphe hydrogéné a-Si:H, constituée par différentes couches empilées. La plupart des
cellules courantes sont basées sur cette conception (Figure I.3).
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
9
Figure I.3: Exemple d’une cellule solaire à base de a-Si. [13]
b- La filière CdTe
Du fait de ses propriétés optiques optimales, c’est à dire une bande interdite directe de l’ordre
de 1,5 eV, et une grande absorption dans tout le spectre solaire, cette filière a été une des
premières étudiée (depuis 1960). En couches minces, les premières hétérojonctions
CdTe/CdS/SnO2/Verre, sont apparues en 1964, et le premier module CdS/CdTe date de 1972.
Malgré des rendements excédant les 15%, des problèmes non négligeables se posent, à savoir:
- La difficulté de réaliser des contacts électriques ohmiques stables,
- Les meilleurs rendements ont été obtenus sur des cellules utilisant comme substrat le silicate
de bore, substrat fort coûteux.
- La diffusion du sodium du verre ne semble pas profiter au CdTe, et au contraire, le sodium
paraît avoir un effet négatif sur la durée de vie des porteurs minoritaires dans les cellules de
CdTe.
- La sensibilité de cette cellule à la vapeur d’eau.
- Enfin l’agressivité pour l’environnement, du fait de la présence du Cadmium qui est toxique
et polluant.[14]
c- Les cellules organiques
Comme leurs noms les indiquent, les cellules organiques ; autrement dit, les cellules
plastiques, sont composées de semi-conducteurs organiques. Ce type de cellules est apparu
dans les années 90, elles constituent une tentative de réduction du coût de l'électricité
photovoltaïque, et elles bénéficient en effet du faible coût des semi-conducteurs organiques
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
10
ainsi que de nombreuses simplifications potentielles dans le processus de fabrication. Son
record de rendement de conversion dépasse les 10 %. [15].
d- La filière chalcopyrite Cu-III-VI2
L’émergence des cellules solaires, basées sur les matériaux à structures chalcopyrites, à fait
suite à la réalisation de détecteurs photovoltaïques CuInSe2/CdS par S. Wagner et
coll.Wagner et coll. avaient rapporté la préparation d’hétérojonctions p-n CuInSe2/CdS à
partird’un monocristal CuInSe2, dont la conductivité est de type p, sur lequel une couche
mince de CdS été déposée. La réponse photovoltaïque de ces détecteurs pour une lumière
incidente à travers «la fenêtre» CdS donnait lieu à de très hauts rendements quantiques (70%)
uniformes entre 0,55 et 1,25 μm. Ces hétérojonctions avaient des rendements solaires de
l'ordre de 5%.
Les composés ternaires chalcopyrites qui peuvent jouer le rôle d’absorbeur sont
principalement CuGaSe2, CuInS2, Cu(In,Al)Se2, et Cu(In,Ga)Se2, dont les caractéristiques
structurales, optiques ainsi que les rendements actuels en couches minces sont indiqués au
Tableau1 :
Tableau I.2 : Caractéristiques des couches absorbantes chalcopyrites.
Du fait de leurs grands coefficients d’absorption optique, une épaisseur de 1,5-2 μm est
suffisante pour absorber la partie utile du spectre solaire (contre 100micrometre pour le
silicium).
Les deux principales méthodes de préparation de la couche absorbante de modules à hauts
rendements sont la coévaporation et le dépôt séquentiel des différents constituants (ou des
métaux précurseurs) suivi d’un recuit. Cependant, d’autres techniques sont aussi utilisées telle
Chapitre I L’énergie renouvelable, l’effet photovoltaïque et les types des cellules solaires
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que la méthode de dépôt par voie électrochimique, procédé de faible coût, qui permet le dépôt
des différents composants de la cellule solaire avec des rendements prometteurs.
I.2.4 Les différents composants d’une cellule solaire à base de CIS
Comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessus figure (I.3) (cas du CIS), il existe six
éléments principaux dans la cellule solaire en couches minces, à savoir :
Figure I.3: Structure et conception schématique d’un élément photovoltaïque à base de CIS
Comme nous pouvons le voir, il existe six éléments principaux dans la photopile en couches
minces, à savoir :
le substrat : le plus utilisé est le verre, on peut aussi utiliser des substrats flexibles ou
métalliques.
un contact ohmique inférieur : souvent le Molybdène (Mo).
une couche absorbante : dans le cas présenté, de type p.
une couche tampon : souvent le CdS ou bien le ZnS, de type n. c’est à cette interface
que se situe la jonction p-n.
un oxyde transparent conducteur (OTC) : In2O3:Sn ou bien l’I.T.O, SnO2 :F et ZnO
:Al
A ceci sont ajouté : un contact ohmique supérieur (grille métallique composée de Ni-Al) et
parfois une couche anti-réflexion (MgF2).
Ces matériaux ne sont bien évidemment pas choisis au hasard et doivent posséder des
propriétés physico-chimiques bien particulières que nous allons décrire maintenant.
a- La couche tampon
La couche tampon est une couche située entre la couche absorbante et la couche d’oxyde
transparent conducteur (TCO). Si un contact couche absorbante/TCO est directement réalisé,
une jonction photovoltaïque peut exister mais son rendement sera limité par:
l’inadaptation des bandes interdites.
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les courants de fuite dus à la présence de zones désordonnées aux 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’OTC, soit une valeur comprise entre 2,4 et 3,2 eV.
une conductivité de type n pour former la jonction avec la couche absorbante qui est,
elle, 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 10-3Ω.cm.
elle doit être morphologiquement très homogène pour éviter tout effet de court circuit
au niveau des joints de grains. [16]
b- La couche fenêtre d'oxyde transparent conducteur (TCO)
Celle-ci doit être simultanément transparente et conductrice. Dans le domaine du spectre
solaire la transmission des couches doit être supérieure à 80 %. La conductivité de ces mêmes
couches doit être supérieure 103(Ω.cm.)-1.
De telles propriétés sont obtenues en utilisant des couches minces de SnO2, In2O3, de leur
alliage ITO ainsi que 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 de SnO2 :F. En effet, la couche de ZnO intrinsèque, donc non
conductrice, évite tout courant de fuite 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 (ZnS par
exemple) plus épaisse [16].
I.2.5Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque
a-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. Les systèmes peuvent être dimensionnés
pour des applications de puissances allant du milliwatt au Mégawatt.
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Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits, et ils ne
nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.
Généralement la maintenance est limitée à une ou deux visites annuelles effectuées par un
professionnel ;
La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique, car le
produit final est non polluant, silencieux, peu de déchet, pas de ligne électrique
supplémentaire et pas de nuisance sonore olfactive. [1]
b- Les inconvénients
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 %) ;
Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs
Diesel que pour des faibles demandes d'énergie en régions isolées ;
Enfin, lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est
nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru.
La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes pour autant que la
batterie et les composants de régulations associés soient judicieusement choisis. [1]
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Référence :
[1] A. BOURAIOU thèse de doctorat. Université de Mantouri Constantine (2008).
[2] J. Labbé, Thèse de Doctorat, Ecole des Mines de Paris, France (2006).
[3] Planète-énergies. [En ligne]. [Consulté le 15 Mai 2009]. Disponible sur: