Voici notre article Latex issu du travail fourni à travers ce projet. Cet article synthétise un axe précis du projet : la caractérisation d'une cellule industrielle mystère et de la comparaison de son rendement avec d'autres cellules photovoltaïques.

Vous trouverez notre article ICI

Composition de l'équipe:

• BEHLOULI Melissa (melissa.behlouli@etu.sorbonne-universite.fr), Responsable du Wiki
• BO Oda (oda.bo@etu.sorbonne-universite.fr), Coordinatrice
• ORMAECHEA Diego (diego.ormaechea@etu.sorbonne-universite.fr), Gardien du Temps/Bibliographie
• PERRIN-TURENNE Victor (victor.perrin-turenne@etu.sorbonne-universite.fr, Responsable Expérimentation
• ROUX Matthieu (matthieu.roux@etu.sorbonne-universite.fr), Responsable Logistique

Encadrant et responsable de l'UE: CAVAILLES Adrien (adrien.cavailles@lkb.upmc.fr)

Description du projet:

Nous travaillons sur la conception ainsi que la construction de cellules photovoltaïques. Nous étudions trois cellules permettant de convertir la lumière en courant électrique par l'intermédiaire de l'effet photo-électrique. Nous comptons créer deux prototypes de cellules photovoltaiques différentes pour les comparer à une cellule industrielle.

Il ne faut pas confondre l'effet photoélectrique et l'effet photovoltaique.

D'une part, nous avons un concept historique qui est mis en évidence pour la premier fois en 1839 par Edmond Becquerel et son fils. Puis, de multiples travaux ont été nécessaires à la compréhension de l'effet photoélectrique. La connaissance que nous avons de ce phénomène aujourd'hui repose sur le travail de la communauté scientifique. Notamment, les travaux expérimentaux de Heinrich Hertz a la fin du XIXème siècle jusqu'à la célèbre explication d'Albert Einstein : le concept de particule de lumière, appelé aujourd'hui photon, et celle du quantum d'énergie initialement introduits par Max Planck en 1900. Einstein a expliqué que ce phénomène était provoqué par l'absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l'interaction du matériau avec la lumière. Cette explication lui valut le prix Nobel de physique en 1921.

L'effet photoélectrique est un phénomène physique durant lequel un matériau, généralement métallique, émet des électrons lorsque le matériau est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée; ce seuil de fréquence, non prévu par la mécanique classique, dépend du matériau.

L'effet photoélectrique

D'autre part, la cellule photovoltaïque est un composant électronique, qui lorsqu'il est exposé au soleil, produit de l'électricité par l'intermédiaire de l'effet photoélectrique. La plupart des cellules photovoltaiques sont composés de semiconducteur. En effet les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ce qui génère des paires électrons-trous et in fine un courant électrique. La cellule permet de convertir de la lumière en énergie électrique.

Généralement, on utilise directement un matériau dopé (silicium) en tant que semi-conducteur. Nous cherchons à comprendre le mécanisme à l'origine de la conversion.Pour cela, nous considérons le cas d'une cellule à base de silicium cristallin. La structure d'un semi-conducteur est présentée ci-dessous :

A l'état fondamental (T= 0 K) tous les électrons de la couche M du silicium se trouvent dans la *bande de valence* BV. La formation d'une bande résulte de l'interaction par résonance des 4 états d'hybridation sp3 des N atomes Si de tout l'échantillon. La largeur totale de la bande de valence est d'une dizaine d'eV. Vu le très grand nombre d'états qu'elle renferme, on peut la considérer comme un quasi continuum. L'énergie du bord supérieur de la BV est notée Ev.

La *bande de conduction* BC représente le premier état excité. Elle est vide à 0 K. Sa limite inférieure est notée Ec. La région comprise entre les bandes BV et BC s'appelle *bande interdite*, elle ne contient aucun état susceptible de recevoir un électron. A T ≠ 0, un certain nombre d'électrons sont excités thermiquement de BV vers BC. Aux n électrons excités dans BC correspond un nombre égal p de trous (ou défauts d'électrons) dans BV.

Si l'on introduit dans le réseau de silicium des atomes pentavalents tels que le phosphore ou l'arsenic, ils se placent en site de substitution. Quatre électrons sont utilisés pour les liaisons avec les Si voisins, le cinquième est très peu lié et a une très grande probabilité d'être excité vers BC. On a du silicium dopé N. Les niveaux électroniques correspondant aux atomes d'impureté sont situés dans la bande interdite et très proches de Ec. Il y a un nombre égal de charges positives sur les atomes donneurs (P ou As) et d'électrons dans la bande de conduction.

Si l'on introduit des atomes trivalents (bore), il manque maintenant un électron pour former les quatre liaisons autour de l'impureté. Un électron sera excité depuis BV pour combler cette lacune et il reste un trou dans BV. On a du silicium dopé P

Si un semi-conducteur est éclairé avec des photons d'énergie supérieure à la largeur de la bande interdite, ces photons sont absorbés et il en résulte l'excitation d'un certain nombre d'électrons de BV vers BC. Il reste des trous p dans BV. Mais rien ne permet de séparer les paires électron-trou ainsi formées, leur recombinaison est très rapide. On ne peut pas recueillir d'énergie électrique de cette façon. Il faut donc trouver un moyen de séparer les charges initialement formées. Ceci est réalisé dans un dispositif appelé jonction PN.

La jonction PN est le dispositif utilisé dans les cellules photovoltaïques. Une jonction PN est une zone où le dopage varie brusquement d'un dopage P à un dopage N. En mettant en contact la zone dopée P avec la zone dopée N, les électrons de la zone N diffusenet dans la zone P qui devient chargée négativement. La zone N devient chargée positivement. Il y a donc création d'un champ électrique

En effet, quand des photons sont absorbés dans la zone de charge d'espace, les paires électron-trou formées sont séparées par le champ électrique de la jonction qui fait migrer les électrons vers la région N et les trous vers la région P.On a généralement une couche mince de silicium p au-dessus d'une plaquette de silicium dopé N. En surface, un dépôt métallique en forme de peigne a pour rôle de recueillir les charges tout en laissant passer la lumière.

La séparation des paires électron-trou par le champ électrique de la jonction PN fait passer au travers de celle-ci un courant jg (courant généré par la lumière) depuis la région N vers la région P. Simultanément la région P se charge positivement et la région N négativement, créant ainsi une polarisation de la cellule qui en retour fait passer au travers de la jonction un courant inverse ji de signe opposé à celui de jg. S'il n'y a pas de connections extérieures, jg=ji. Par contre, si la cellule est reliée à un circuit d'utilisation simulé par une résistance de charge Ru, une partie de jg passe par le circuit extérieur (voir ci-dessus).

Schéma du circuit équivalent

La cellule photovoltaïque avec la jonction PN est donc équivalente à un générateur de courant plus une diode.

Il est important de noter que la fabrication de jonctions PN coûte très cher et est églament très polluant. Même si les cellules à jonction PN ont des rendements qui sont plutôt bons, il faut les utiliser pendant 2 à 3 ans pour produire autant d'énergie qu'il a fallu pour les fabriquer.

Nous avons effectués une étude comparative des principaux modules photovoltaïques qui existent actuellement. Nous avons mis en évidence leurs caractéristiqyes ainsi que les avantages et inconvénients de chaque type de cellule.

Remarques : Le rendement varie également en fonction de la manière par laquelle sont extraites les charges. Plus la surface de récupération des charges est grande, plus les pertes sont importantes.

Cellule industrielle : Cellule silicium

Premier prototype : Cellule à cuivre (mise en évidence de l'effet photoélectrique)

Nous avons décidé de créer nous-même notre semi-conducteur à l'aide d'une plaque de cuivre. Pour cela, nous oxydons une plaque de cuivre par conduction thermique. Nous la chauffons à l'aide d'une plaque chauffante. La partie chauffée s'oxyde et ainsi une couche semi-conductrice se forme à la surface du cuivre. Pour générer une tension, nous disposerons deux plaques de cuivre (l'une oxydée et l'autre non) en parallèle dans un bain d'eau chaude et salée. En immergeant la plaque oxydée dans l'eau salée, les électrons se détacheront de celle-ci pour se diriger vers la plaque non oxydée. Nous créerons ainsi un flux d'électrons et donc un potentiel électrique entre les deux plaques.

Second prototype : Cellule à colorant (couches organiques)

Les cellules solaires à colorant sont des systèmes photoélectrochimiques qui imitent le processus de photosynthèse végétale ! Exposées à la lumière, elles produisent de l'électricité. Les cellules Graetzel sont faites à partir de jus de framboise. Ce jus possède un colorant (responsable de la couleur) très sensible à la lumière. Dès lors, que la cellule est éclairée par une lumière, le colorant excité va produire un photon. Ensuite, par un processus cyclique , un courant d’électrons et donc de l’électricité. Ces cellules présentent un taux de rendement assez faible, mais elles présentent un avantage considérable : malgré le faible éclairage (voir un éclairage indirect), elles produisent de l'électricité.

Vous trouvez ici les liens de toutes les pages concernant les différentes étapes de notre projet :

1) Différents protocoles d'études physiques des différentes cellules :

• 1.1) Protocole pour l'étude de la caractéristique j-V des différentes cellules : ICI
• 1.2) Protocole pour l'étude spectrale des différentes cellules avec un monochromateur : ICI
• 1.3) Préparation des différents éléments pour les 2 montages précédentes : ICI

2) Cellule industrielle : études physiques :

• 2.2) Expérience : étude de la caractéristique j-V de la cellule industrielle : ICI
• 2.3) Expérience : étude de la reponse spectrale du la cellule industrielle avec un monochromateur : ICI

3) Batterie solaire, cellule à cuivre :

• 3.1) Protocole, fabrication et premier test : ICI
• 3.2) Expérience : étude de la reponse spectrale du cuivre avec des filtres : ICI
• 3.3) Expérience : étude de la caractéristique j-V de la cellule à cuivre : ICI
• 3.4) Expérience : étude de la reponse spectrale du cuivre avec un monochromateur : ICI (*) 4) Cellule à colorant : * 4.1) Protocole et fabrication: ICI * 4.2) Expérience : étude de la caractéristique j-V de la cellule à colorant : ICI (*)

5) Etude théorique: comparaison de nos cellules et la cellule industrielle :

• 5.1) Comparaison du rendement: ICI

• Prise de rendez-vous avec l'encadrant (réponse au mail)
• Recherches bibliographiques
• Ouverture du wiki
• Création du diagramme de Gantt

• Rendez-vous avec l'encadrant
• Création de la version finale du diagramme de Gantt
• Liste de matériel pour la fabrication du 1er prototype :

• Plaque de cuivre
• Plaque chauffante
• Pince en bois
• Multimètre

• Rencontre avec Mr Darga (Professeur et chercheur à l'UPMC, Expert en cellules photovoltaïques) :

Nous avons discuté avec Mr Darga à propos du projet. Il nous a lancé sur quelques pistes notamment sur celle d'un panneau solaire à colorants. Il nous a également permis de compléter notre étude comparative sur les moyens de transformer de la lumière en énergie électrique.

• Expérimentation : Batterie solaire , description de la séance ICI

• Séance de travail à 5 en salle 107 barre 23-33 - Reproduction de l'expérience 1, Etude spectrométrique de l'illuminant, Recherche de filtres et de lampes UV, Préparation du filtrage en longueur d'onde, Rédaction protocole du prototype 2 et recherche des produits chimiques nécessaires.
• Mise en place de l'étude de la réponse spectrale et description de l'expérience sur les filtres de longueur d'onde ICI
• Vous trouverez les explications concernant les cellules à colorants photosensibles et le protocole permettant leur production, en cliquant ICI

• Rendez-vous avec Adrien Cavaills, notre nouveau encadrant

• Mise en place d'un protocole pour l'exploitation de les intensités en fonction des tension, et ainsi les rendements des différentes cellules photovoltaïques. Protocole à trouver en cliquant ICI
• Mise en place d'un protocole pour l'étude spectrale des différentes cellules photovoltaïques. Protocole à trouver en cliquant ICI
• Récupération des différents éléments des montages ICI

• Reoxidation de la plaque de cuivre
• Réécriture du protocole pour les cellules à colorants, avec une recherche plus spécifique. voir ICI
• Récupération d'une cellule photovoltaïque industrielle et d'une photodiode
• Manipulations : étude de la caractéristique j-V de la cellule industrielle : ICI

• Fabrication d'une cellule à colorant : ICI
• Manipulations : étude de la caractéristique j-V de la cellule en cuivre : ICI
• Manipulations : étude de la réponse spectrale de la cellule industrielle, avec un monochromateur : ICI
• Manipulations : étude de la réponse spectrale de la cellule en cuivre, avec un monochromateur : ICI
• Manipulations : étude de la caractéristique j-V de la cellule à colorant : ICI

• Écriture du plan de notre article Latex
• Prise d'autres données pour la cellule industrielle et celle en cuivre

• Analyse de données

• Analyse de données
• Alimentation du wiki

• Rendez-vous avec le professeur référent pour discuter du projet. En résumé de l'entretien, nous avons décidé de refaire l'expérience avec la cellule de cuivre mais en utilisant une résistance variable à la place d'un générateur.

• Journée de manip : caractéristiques à 5OOO lux et à 60 0000 lux de la cellule industrielle et seulement à 60 0000 lux pour la cellule en cuivre. On utilise 2 résistances variables (x100 et x1000).

• Rendez-vous avec le professeur référent pour discuter des résultats de la semaine précédente

• Prise en main LaTex et début de la rédaction de l'article

• Silicium monocristallin, Lien, consulté le 03/02/18
• Matériaux et rendements, Lien, consulté le 03/02/18
• semi-conducteur et photovoltaïque, Lien, consulté le 03/02/18
• Edmond Becquerel : La lumière, ses causes et ses effets. 1868, consulté le 05/02/18 *Rendement du panneau solaire Lien, consulté le 03/02/18
• effet photoélectrique, Lien, consulté le 21/03/18
• effet photoélectrique, Lien, consulté le 21/03/18
• histoire de l'effet photoélectrique, Lien, consulté le 21/03/18
• Efficacité lumineuse, Lien, consulté le 30/03/18
• Rendement d'une cellule solaire,Lycée Académie d'Aix-Marseille, Lien, consulté le 30/03/18
• Efficacité lumineuse, Wikipédia, Lien, consulté le 30/03/18

• Chris Deziel, How to make a Solar Panel for a Science Project, juin 2017, Lien, consulté le 27/01/18
• Simon Quellen Field, Make a solar cell in your kitchen, Novembre 2010, Lien, consulté le 27/01/18
• WIKIHOW, Comment fabriquer des cellules solaires, Février 2015, Lien, consulté le 27/01/18

• Cellule Grätzel, Lien, consulté le 17/04/18
• Jill Johsen et Stephanie Chasteen, Make your own blackberry juice solar cell, 2006, Lien, consulté le 02/02/18
• Cellule Gratzel, Lien, consulté le 02/02/18
• Réalisation d'une cellule Graetzel, Mélouki Mohammed, Lien, consulté le 02/02/18