Etudes de cristaux liquides colonnaires en solution organique et en ...

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1.1. LES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ET LES SEMI-CONDUCTEURSORGANIQUESpoint une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale cherchedes solutions nouvelles pour alimenter ses satellites. Les recherches d’après-guerre ont permisd’améliorer les performances et la taille de ces cellules. Cependant, il faudra attendre la criseénergétique des années 1970 pour que les gouvernements et les industriels investissent et queles applications terrestres de la technologie photovoltaïque voient le jour.1.1.1.2 Description des cellules solaires à base siliciumLa cellule photovoltaïque est composée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteursqui absorbent l’énergie lumineuse et la transforment directement en courant électrique. Leprincipe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et cellesdes semi-conducteurs.Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faiblepar rapport aux métaux. Pour qu’un électron lié à son atome (bande de valence) deviennelibre dans un semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournirune énergie minimum pour qu’il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bandede conduction). Cette énergie est appelée bande interdite Eg (band gap). Cette valeur seuilest propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV pour les applicationsphotovoltaïques. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin, et 1,7 eV pour le siliciumamorphe.Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons en fonction de leurénergie. Les photons absorbés dont l’énergie est supérieure à l’énergie du band gap vontlibérer un électron négatif, laissant un “trou” positif derrière lui. Pour séparer cette paire decharges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique,il faut introduire un champ électrique, E, de part et d’autre de la cellule.La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du “dopage” par des impuretés. Deuxtypes de dopage sont possibles :– Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semiconductricedes atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électronexcédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. Dans un matériaude type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.6
CHAPITRE 1. CELLULES SOLAIRES ET MATÉRIAUX ORGANIQUES– Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l’insertion dans le réseau cristallindonnera un trou excédentaire.Lorsque l’on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d’autre de lacellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champélectrique constant créé par la présence d’ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriquesgénérées par l’absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque.1.1.1.3 Performances et limitesA l’heure actuelle, dans le marché mondial de la technologie photovoltaïque, 94% de laproduction est réalisée à partir de dispositifs inorganiques [11]. Ces cellules solaires, constituéesprincipalement de silicium, sont commercialisées avec un rendement qui varie entre8% et 16% [12]. Toutefois, l’utilisation de semi-conducteurs inorganiques présente quelquesinconvénients. Tout d’abord, le cœfficient d’absorption du silicium est faible dans le domainedu visible, les cellules photovoltaïques doivent avoir une épaisseur de plusieurs centaines demicrons afin d’absorber le maximum de photons. Ensuite, il faut aussi que le silicium soittrès pur afin que les charges créées aient une longueur de diffusion suffisante pour atteindrela jonction. Enfin, la réalisation de ces cellules photovoltaïques à base de semi-conducteursinorganiques exige un nombre important d’étapes comme l’élaboration du matériau, son dopagechimique, la métallisation, la connectique et l’encapsulation. Tout cela accroît le coûtde production de l’énergie solaire photovoltaïque.En 2001, un rapport remis à l’office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques ettechnologiques rend compte des coûts de production de l’électricité pour différentes voies. Parexemple, le tableau 1.1 montre que la production d’électricité par le solaire photovoltaïque àun coût de production dix fois supérieur à l’électricité nucléaire. Il existe donc un déséquilibreentre le coût de production du solaire photovoltaïque et les autres voies de production del’électricité. Par conséquent, son prix freine le développement de l’énergie photovoltaïque cequi explique qu’elle soit si peu utilisée. A titre d’exemple, seulement 6 % de la productiond’électricité des États-Unis proviennent des énergies renouvelables [3]. Et dans ces énergies7
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