Matériaux et Méthodes pour l’Optimisation de la Conversion d’Energie

Abstract

L'énergie constitue un moteur essentiel du développement des nations et demeure un pilier fondamental de l'économie moderne. La préoccupation croissante quant aux impacts environnementaux et aux limites des ressources fossiles a incité les chercheurs ainsi que les industriels à explorer des alternatives plus durables ; les énergies renouvelables. La conversion de l'énergie renouvelable est un aspect crucial de cette transition énergétique. Elle englobe différentes méthodes, chacune adaptée à des sources spécifiques. L’énergie solaire photovoltaïque se distingue comme une option particulièrement prometteuse avec ses différentes structures. Parmi elles, les cellules solaires au cuivre-indium-gallium-diséléniure (CIGS) ont suscité un intérêt considérable en raison de leur fort coefficient d’absorption, leur potentiel de rendement élevé, leur évolutivité et de leur compatibilité avec des applications flexibles et légères. Cependant, les couches inorganiques traditionnellement utilisées dans les cellules solaires CIGS (Comme l'indium, le gallium et le cadmium) présentent des limitations, notamment en termes de toxicité et de rareté des éléments constitutifs. Cette thèse vise à étudier les performances photovoltaïques des cellules solaires à base CIGS à l'aide du logiciel de simulation de capacité de cellule solaire en une dimension (SCAPS-1D) pour de nouveaux matériaux non toxiques à rendement élevé. Nous avons commencé par comparer les performances de trois matériaux (Zn (O, S), ZnSe, SnS2) au CdS dans la couche tampon afin de remplacer ce dernier. L’ajout d’une couche de champ de surface arrière (BSF) permet, non seulement, l’augmentation du rendement énergétique de la cellule, mais la réduction de l'épaisseur de la couche absorbante CIGS, qui contient, des éléments potentiellement toxiques pour l'environnement. L'ajout de la couche BSF (SnS) entre la couche absorbante CIGS et le contact arrière métallique en molybdène (Mo) améliore la région de champ électrique générée au niveau de l'interface arrière et réduit par conséquent la recombinaison de la surface arrière en augmentant l'efficacité de la conversion d’énergie. Suite à la sélection des couches ETL et BSF appropriées, nous avons optimisé les paramètres de ces différentes couches de notre structure SLG/Mo/SnS/CIGS/SnS2/AZO/Al dans le but d’obtenir un bon rendement de conversion énergétique. Dans le cadre d'une étude complémentaire, nous avons substitué la couche inorganique absorbante CIGS par une couche organique de nanotubes de carbone SWCNTs, que nous avons optimisée. Les résultats obtenus sont particulièrement encourageants indiquant une perspective favorable pour ce type de cellules solaires dans le futur.