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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE

Département d'électronique

Mémoire

Pour obtenir le grade de

Magister de l'université de l'USTO

Discipline : Electronique

Option : Systèmes de communication modernes

Présenté et soutenu par

Ketfi Mohammed el Amin

Titre

Etude et adaptation des cellules biologiques

photosensibles à des microsystèmes optoélectroniques

Soutenu le: 17/05 / 2011

Devant le jury composé de:

A. Belghoraf Professeur (USTO) Président A.Boudghene Stambouli Professeur (USTO) Rapporteur N.Mekkakia Maaza M. Conférence(USTO) Examinateur M. Bekhti D. de recherche (CNTS) Examinateur

Année Universitaire 2010-2011

REMERCIEMENTS

J'aimerais remercier les personnes qui m'ont soutenu et accompagné tout au long de ce parcours. Je remercie tout particulièrement Mr. A. Belgoraf pour avoir accepté de présider mon jury de thèse ainsi que Mr. N. Mekkakia Maaza et Mr. M. Bekhti pour leur patience et leur contribution importante en tant que rapporteurs de ce travail. Je tiens également à remercier très chaleureusement mon encadreur Amin Boudghene Stambouli à son confiance et sa grande disponibilité. Ses qualités humaines et scientifiques me a permis d'aborder des voies peu explorées mais très motivantes. Un grand remercie donc, pour le soutien quotidien de l'ensemble de ses membres. Merci enfin, à ma famille, aux proches et à mes amis de proche et de loin.

DEDICACE

Je dédie ce mémoire

À mes parents

À mes frères et ma soeur

À ma grande mère

À toutes la famille

À tous mes amis.

Mohammed el amin KETFI

Glossaire

Abréviations

R&D : Recherche et Developement

PV : Photovoltaïque

PS : Photosynthèse

NREL : Laboratoire National d'énergie

Renouvelable

BV : bande de valence

RDM : Reste Du Monde (ROW : Rest Of

World)

DSSC : (Dye sensiblized Solar Cell)

L'Oxyde des cellules solaires sensibilisées

LED : (Light Emmiting Diode) Diode

électroluminescente

CIGS : le diSéléniure de Cuivre Indium

Galium

CdTe : le Tellurure de Cadmium

GaAs : Les cellules à base d'arséniure de

gallium

PPV : Poly (

p-phénylèneVinylène)

CSO : Cellule Solaire Organique

OPV : Cellule Photovoltaïque Organique

BOS : Basic Operating System

AIE : Agence Internationale de l'ÉnergieDRE : Direction Régionale de l'Equipement

OLED : Diode ElectroLuminescente

Organique

IA : Intelligence Artificielle

ATP : Adénosine TriPhosphate

ADN :

Acide DésoxyriboNucléique

C60 : buckminster fullérène [60]

TiO 2 : Dioxyde de Titane

HOMO : Plus haute orbitale moléculaire

occupée (Highest Occupied Molecular

Orbital)

LUMO : Plus basse orbitale moléculaire

inoccupée (Lowest Unoccupied

Molecular Orbital)

e - h : électron - trou

Jcc : densité de courant en court-circuit

SC : semiconducteur

Vco : tension de circuit ouvert

D - A : donneur - accepteur

(d'électrons)

ITO : indium tin oxyde

Table des matières

I-Introduction Générale 6 II- Chapitre 1 : Une vision pour le photovoltaïque

1-Introduction 9

2-PV dans le contexte des sources d'énergie renouvelables 10

3-Pourquoi le photovoltaïque (PV) ? 12

4-La situation mondiale pour le PV 13

4-1 La situation dans les états membres de l'EU 13

4-2La situation au Etats-Unis 15

4-3La situation au Japon 16

4-4La situation en Chine 16

4-5La situation au autres pays 17

4-6Comparaison entre le Japon, Etats-Unis et en Europe 17

5-L'industrie photovoltaïque 19

6-Etat d'avancement technologique et le potentiel technologique

de PV 21

7-Les technologies du PV 26

7-1Technologies évolutive 26

7-2 Technologies de concentrateur photovoltaïque 27

7-3 Les technologies émergentes et nouvelles 27

8-Une vision pour le photovoltaïque 29

8-1 Le développement technologique 29

8-2Aspect socio-économique 31

8-3Le rôle de la PV dans l'image de l'énergie 2030 32

9-Comment arriver à la vision ? 34

10- Conclusion 38

III- Chapitre 2 : La technologie photovoltaïque

1-Introduction 39

2-Généralités sur l'énergie solaire 41

2-1L'énergie solaire 41

2-2Terminologie " photovoltaïque » - Les dates importantes 42

3-La théorie de la conversion photovoltaïque 43

3-1La cellule photovoltaïque 43

3-2L'effet photovoltaïque 43

3-3Systèmes et applications 44

3-3.1Systèmes raccordés au réseau 44

3-3.2Les systèmes autonomes 45

3-3.3Applications 46

4-Les matériaux de la conversion photovoltaïque 48

4-1La première génération " Silicium Cristallin » 49

4-1-1 Le silicium : usage, avantages et inconvénients 49

4-1-2 Le silicium monocristallin 52

4-1-3 Le silicium polycristallin 52

4-2La deuxième génération " couches minces » 53

4-2-1 Les couches minces de silicium 54

4-2-2 Le tellurure de cadmium (CdTe) 55

4-2-3 Le di-séléniure de cuivre-indium(CIS) 56

4-2-4 Les cellules à base d'arséniure de gallium (GaAs) 57

4-3La troisième génération " polymères et concentrateurs » 58

4-3.1Cellules photovoltaïques organiques 58

Les cellules de type Schottky 59 Les cellules hétérojonctions de type bicouche 60 Les cellules de type réseaux interpénétrés 61

5-Processus physiques de la conversion photovoltaïque dans les

cellules solaires organiques 63

6-La technologie actuelle de PV 64

6-1Cellules solaires organiques : les avancées de la recherche 64

6-2La voie des cellules organiques 65

7-Préparer l'avenir 66

7-1Des difficultés à surmonter 66

8-Conclusion 67

IV- Chapitre 3 :Le modèle des plantes et le biomimétisme

1-Introduction 68

2-Définition du biomimétisme 69

2-1Est-il l'avenir du développement durable ? 71

2-2Qu'entend-on par biomimétisme ? 71

3-Le biomimétisme comme méthode innovante 72

4-Les types de problèmes que l'on peut résoudre par

biomimétisme 72

5-Le biomimétisme : allé plus loin que les apparences, imiter les

principes 73

5-1La nature fonctionne à l'énergie solaire 74

5-2La nature utilise seulement l'énergie dont elle a besoin 74

5-3La nature adopte la forme à la fonction 74

5-4La nature recycle tout 74

5-5La nature récompense la coopération 75

5-6La nature capitalise sur la diversité 75

5-7La nature recherche l'expertise locale 75

5-8La nature ne fait pas d'excès 76

5-9La nature puise sa créativité dans les limites qui lui sont imposées 76

6-La viabilité du biomimétisme 76

6-1Lesuccès des applications biomimétiques... 76

6-2... Mais un sucée conditionné 78

7-Des innovations biomimétiques 79

7-1Les Etats-Unis prennent la vipère comme modèle pour leur défense79

7-2Le plongeon du martin-pêcheur et l'entrée d'un train à grande vitesse

dans les tunnels 80

7-3La structure anti-tremblement de terre des nids d'abeille 81

7-4La robotique imite les serpents pour résoudre les problèmes

d'équilibre 82

7-5Une solution informatique grâce aux papillons 83

8-Le modèle des plantes et le biomimétisme 84

8-1Quel lien existe-t-il entre le transfert d'électron et la photosynthèse

dans les plantes vertes ? 86

9-Conclusion 88

V- Chapitre 4 : Les cellules solaires bio-inspirées

1-Introduction 89

2-Analogie avec la photosynthèse 90

3-Photopiles à colorant 92

3-1Historique 92

3-2Définition et développement de la recherche 92

3-3Principe de fonctionnement 94

3-4Avantages et Inconvénients 94

4-Caractérisation optimale des cellules solaires à colorant 95

4-1Choix des matériaux 95

4-1-1 Choix du semi-conducteur 95 4-1-2

Choix du colorant 95

4-1-3Choix de l'électrolyte 97

4-2Comment fabrique-t-on une cellule à colorant 98

4-2-1

Dépôt du semi-conducteur (TiO

2 ) 98 4-2-2

Frittage à haute température 98

4-2-3 Absorption du sensibilisateur 98 4-2-4

Dépôt de l'électrolyte 98

4-2-5 Assemblage de la contre électrode de platine 98

5-Spécification esthétiques 99

5-1Caractéristiques 99

5-2Conception des cellules 100

5-3Motifs et couleurs 100

6-Commercialisation de la première cellule solaire à colorant 102

7-Applications actuelles et futures 102

Applications actuelles 102

8-Perspectives 103

9-Conclusion 104

Applications futures 105

VI- Conclusion Générale 106 VII- Bibliographie 108

Introduction

Générale

Introduction Générale

6

INTRODUCTION GENERALE

L'énergie solaire est la source d'énergie primordiale sur Terre. Sa transformation fournit l'énergie chimique assurant le développement de la très grande majorité des êtres vivants. Les énergies fossiles pétrole, gaz et charbon n'en sont ainsi que des produits dérivés. La récupération, la transformation et le stockage de l'énergie solaire de manière efficace présente un défi de taille mais serait la

réponse idéale aux besoins énergétiques actuels. Les systèmes photovoltaïques

permettent de récupérer cette énergie et de la transformer en électricité. La Terre reçoit plus d'énergie solaire en une heure que toute la planète consomme actuellement en un an.Malheureusement, malgré cet énorme potentiel,

l'énergie solaire est à peine exploitée.L'électricité produite par des cellules solaires

classiques, composés de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, est de 5 ou

6 fois plus cher que les sources d'énergie traditionnelles, comme les combustibles

fossiles ou l'hydroélectricité.Au fil des années, de nombreuses équipes de recherche ont tenté de développer des nouveaux matériaux et de systèmes photovoltaïques qui pourraientpotentiellement conduire la réalisation efficace et du faible coût des cellules solaires à l'avenir. Ces matériauxcomprennent par exemple des types différents de matériaux organiques de synthèse et des nanoparticules inorganiques et les systèmes de nanoparticules.Dans le processus dela chimie est apparue comme une science nouvelle clé aux côtés de la physique dans ledéveloppement de nouveaux matériaux photovoltaïques. L'une des cellules les plus prometteuses solaire a été conçue dans les années (EPFL) en Suisse. Basé sur le principe de la photosynthèse leprocessus biochimique par lequel les plantes transforment l'énergie lumineuse en glucides (sucre, leur nourriture), où l'énergie solaire est utilisée pour décomposer l'eau et produit des molécules de dioxygène, des protons et des électrons. Pour produire un courant électrique, il s'agit alors de récupérer les électrons produits par la réaction. Au moment de cette cellule photo-électrochimique solaire unique basée sur une nanoparticule TiO2photo-électrode sensibilisées par un colorant collecteurs de lumière métallo-organiques, est sur le pointde la commercialisation offrant une alternative intéressante pour le silicium existantesbaséescellules solaires, ainsi que pour la couche mince de cellules solaires.Dans le même temps la recherche activité ainsi que l'intérêt industriel autour de la technologie se développe rapidement.

Introduction Générale

7 L'objectif de cette étude dans l'ordre d'importance était primitivement deprocéder à un examen exhaustif de la littérature sur la nouvelle moléculaire des cellules solairesy compris la colorantenanostructureet les cellules solaires organiques, leurs principesde fonctionnement, les matériaux et méthodes de fabrication, ainsi que leurs étatsdes techniques de développement. Et dans la deuxième place de donner un accent sur la technologie des cellules solaires à colorant,car d'une part elle était connue comme la technologie la plus activement étudiée de la cellule solaire et laplus proche de la commercialisation et d'autre part elle émerge en imitant la structure des systèmes vivants. Depuis lemémoirvise à être une étude technique sur le sujet, un processus rigoureux traitement théorique des sujets a été omis.Au lieu de cela une vue d'ensemble a étépoursuivis concentrant sur les matériaux, les méthodes de préparation et de l'état des techniquesdesdifférents types de cellules solaires discutées.Cela se justifiait aussi parce que lesimages théorique du comportement demoléculaire des cellules solaires est encore en partieincomplète. Cetteétude est organiséeen quatre chapitres, le premier donnant une vision pour le photovoltaïque y compris une discussiondes possibilités de réduction des

coûts des cellules solaires. Ainsi, il est consacré à la synthèse de l'état de l'art actuel

dupotentiel inexploité de l'énergie solaire. Dans le début du chapitre 2, nous avons discuté d'une courte introduction aux principesde conversion de l'énergie photovoltaïque et de la disponibilité de l'électricité solaire. Il est suivi par un bilan des différentes filières technologiques photovoltaïques afin de mieux comprendrela situation actuelle, les avancées et les perspectives à venir. Le chapitre 3 décrit les différentes innovations inspirées par la nature en imitant la structure des systèmes vivants dont cette approche dite "le Biomimétisme» et retracéégalement la manière d'inventer la feuille pour un meilleur capteur solaire. Dans le dernier chapitre nous avons introduit unebrève description du principe de fonctionnement de la cellule à colorant dans la première partie. La deuxièmepartie se concentre à la discussion de la physique fondamentale et chimiquesprocessus de fonctionnement de la cellule.Une discussion qualitative sur les étapes fondamentalesde la fabrication de la cellule qui a été résumé en cinq

étapes. L'état de la technologie des cellules solaires à colorant, les activités

industrielles et commerciales et l'estimation du coût des cellules est examiné dans la dernière partie.

Introduction Générale

8 Ce mémoire arésumé dans la conclusion tous ce qui dépend de la cellule solaire àcolorant organique et les cellules solaires et des suggestions pour des recherches plus poussées cette technologie vers un excellent avenir esthétique. Le mémoire comprend 116pages, 39 figures,6tableaux et 65références.

Unevisionpourlephotovoltaïque

Chapitre 1

Une vision pour le photovoltaïque

9

1-Introduction

Disponibilité d'énergie propre, sûre et abordable à tous les citoyens en quantité suffisante est une condition préalable pour une société durable.En outre, l'approvisionnement énergétique mondial doit être durable en soi, ce qui signifie que l'utilisation des ressources fossiles limitées doit être progressivement remplacée par l'application de technologies d'énergie renouvelable et les émissions de gaz à effet de serre doivent être considérablement diminué. Pour assurer la sécurité et la durabilité de l'approvisionnement énergétique futur du monde nous avons besoin de sources d'énergie diversifiées et renouvelables. La part croissante des énergies renouvelables est un élément nécessaire des politiques d'atténuation des gaz à effet de serre, avec une exigence forte pour améliorer l'efficacité énergétique. Changement de niveau de vie et les habitudesde ceux durable et d'assurer laprotection de l'environnement sont maintenant reconnus commeprincipaux objectifs politiques. Actuellement, près d'un tiers de la population mondiale n'a pas accès à l'énergie commerciale (en particulier, à un réseau électrique), ce qui entrave

sérieusement le développement, est liée à la pauvreté et provoque une variété de

problèmes de santé. En dépit du récent succès des énergies renouvelables dansquotesdbs_dbs16.pdfusesText_22

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