INFLUENCE DE L’INDICE DE REFRACTION DE LA COUCHE ANTIREFLET 

INFLUENCE DE L’INDICE DE REFRACTION DE LA
COUCHE ANTIREFLET 

 Notions sommaires sur le rayonnement solaire.

L’élaboration, l’optimisation et la caractérisation des cellules photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d’énergie utilisée: le soleil. La surface de celui-ci se comporte comme un corps noir à la température d’environ 5800 K [4]. Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet (0,2µm) à l’infrarouge lointain (2,5µm). Lorsque ce rayonnement solaire traverse l’atmosphère, il subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènes d’absorption par les molécules des différentes couches atmosphériques, conditions climatiques, la diffusion moléculaire de Rayleigh et les poussières. Aussi le dioxyde de carbone(CO2) et la vapeur d’eau (H2O), pour les infrarouges au-dessus de 2µm, absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison, ce qui conduit à des trous dans les spectres solaires visibles au sol comme le montre les spectres solaires (figure I-1). Par ailleurs, les aérosols et les poussières présents dans l’atmosphère conduisent à une absorption répartie quasiment sur toute la gamme spectrale, ce qui conduit à une baisse globale de la puissance incidente.[5] Afin de définir une référence indépendante de la localisation sur Terre, la notion d’Air Masse (AM) est introduite : c’est la distance parcourue par la lumière à travers l’atmosphère normalisée par la plus petite distance possible (i.e. quand le soleil est au Zénith). L’Air Masse donne la réduction de puissance due à la traversée de l’atmosphère. On utilise la notation AM1 quand le soleil est au zénith et AMO hors atmosphère la partie la plus importante du spectre solaire à la surface de la terre concerne le domaine du visible (390-780nm) et proche infrarouge. (figure1).

Les différents types de silicium

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Il se présente sous différentes formes dont les plus répandues sont le silicium polycristallin, le silicium monocristallin et le silicium amorphe. [6] Figure I-2 Répartition des différents matériaux sur le marché photovoltaïque La figure I-2 montre la répartition des divers matériaux utilisés dans le marché du photovoltaïque, où le silicium polycristallin occupe la première place.

Silicium monocristallin

Il est constitué d’un seul cristal offrant à la cellule un arrangement parfait des atomes. Il présente un rendement légèrement supérieur au silicium polycristallin (15 %) ; néanmoins, il reste assez onéreux en raison de son exigence de grande pureté et de l’importante quantité d’énergie nécessaire à sa fabrication.

Silicium polycritallin

Il est constitué de plusieurs monocristaux juxtaposés dans différentes orientations donnant à la cellule un aspect mosaïque. Le silicium polycristallin est la technologie la plus répandue sur le marché mondial en raison de son bon rendement (13 %) pour des couts de fabrication maitrisés. Figure-I-4: Silicium polycristallin[8] I-2-3Silicium amorphe Un matériau est dit amorphe lorsque la distribution de ses atomes est désordonnée, ou si l’arrangement ordonné de ses atomes ne porte que sur un nombre limité de ces derniers. On parle alors d’ordre à courte distante (quelques dizaines d’angströms). [9] Ce type de cellules, de structure moléculaire non cristalline, nécessite moins d’énergie pour leur production que les cellules cristallines, car il est composé de couches minces. Leur rendement actuel atteint 9% en industrie et environ 11% en laboratoire. Cependant, le silicium amorphe permet de produire des panneaux de grandes surfaces à faible cout en utilisant peu de matières premières. 

Définitions de quelques propriétés optiques des matériaux

Les propriétés optiques d’un milieu matériel sont nombreuses. Elles renvoient au comportement de la lumière qui les atteint. Un rayon lumineux formé de photons en interaction avec un matériau solide subit trois manifestations optiques simultanées (figure I-6):  l’absorption ;  la réflexion ;  la transmission. FigureI-6: Les trois evenements optiques d’un rayon lumineux[10 ] I-3-1 L’absorption La lumière est absorbée par le matériau. Elle ne le traverse pas. Seule la lumière absorbée est restituée sous forme d’énergie électrique. I-3-2 La réflexion Au cours de la réflexion la lumière ne traverse pas le milieu matériel, elle est renvoyée par la surface. La réduction de la réflexion de la lumière se fait en jouant sur les indices de Chapitre I: Théorie sur les couches antireflets Mémoire de master présenté par Moulaye DIAGNE*** LASES-FST/UCAD (Sénégal) 2012 16 réfraction des matériaux traversés [11], indices dépendants directement du taux de réflexion (figure I-7) Figure I-7: Réflexion d’un rayon lumineux.

La transmission

Au cours de la transmission la lumière traverse le milieu matériel. Selon l’épaisseur du matériau, la transmission de la lumière est plus ou moins importante : les cellules au silicium cristallin à forte épaisseur (0,2 µm) est négligeable contrairement aux dispositifs en couche mince de type silicium amorphe (épaisseur < 1 µm) à travers les quels la transmission n’est pas négligeable.

Théorie de la couche antireflet (CAR) 

Intérêt de la couche antireflet Le rôle de la couche antireflet est d’adapter les indices optiques entre l’air (ou le silicium) afin de minimiser la réflexion pour assurer un bon rendement. Pour annuler la réflexion à une longueur d’onde donnée, il faut que le déphasage entre l’onde incidente réfléchie à l’interface AIR CAR et l’onde incidente réfléchie CAR-silicium soit en position de phase (interface destructive) en tenant compte de l’épaisseur de la couche. Le matériau utilisé comme couche antireflet doit être non absorbant dans la gamme du spectre solaire. [12] Afin de faciliter ou maximiser la pénétration des photons à travers la cellule, donc minimiser la réflexion, on dépose une couche antireflet sur la face avant de la cellule photovoltaïque.

Choix de l’indice de réfraction

Ainsi pour faire le choix on doit chercher la relation entre les indices de réfraction n1, n2 et n3 respectivement de l’air, de la couche antireflet et du silicium.