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Introduction
Dans ce chapitre, nous allons passer en revu quelques techniques qui ont été utilisées pour une modélisation de photopiles monofaciale et bifaciale au silicium polycristallin à deux ou trois dimensions en régime dynamique transitoire. Cette étude sera faite suivant trois points essentiels :
Techniques de caractérisation d’une photopile au silicium polycristallin
Techniques de modélisation d’une photopile à trois dimensions
Techniques de détermination des paramètres phénoménologiques d’une photopile en régime dynamique transitoire.
Techniques de caractérisation d’une photopile au silicium polycristallin
Le silicium polycristallin est obtenu après un refroidissement très lent d’une grande masse de silicium à l’état pur en fusion. A la température de fusion environ 1450°C, le silicium est dopé comme dans les sémiconducteurs par des atomes étrangers pentavalents tels que le phosphore(par exemple PH3 à l’état gazeux) par diffusion dans un four à diffusion. Après recristallisation, on observe des dislocations liées au dopage, donnent naissance aux joints de grain..
Au niveau des joints de grain se passent des phénomènes de recombinaison qui influent sur les porteurs de charges photogénérés et sur rendement de la photopile. Ainsi des tranches quadratiques de 200 à 450 micromètres d’épaisseur sont constituées pour la fabrication des photopiles polycristallines.
Techniques de modélisation d’une photopile en trois dimensions
Quasi Three-Dimensional Simulation for Thin Film Polycrystalline Silicon Solar Cells [9] Dans cet article les auteurs ont proposé une méthode de modélisation d’une photopile au silicium polycristallin en 3D qu’ils intitulent « quasi three-dimensional simulation ».
Ils assimilent leur modèle colonnaire à un grain de forme cylindrique auquel, ils lient un système de coordonnées cylindriques (coordonnées polaires prises à la base). 3D modelling of a reverse cell made with improved multicrystalline silicon wafers..
Dans cet article l’auteur présente un modèle de photopile qui est différent du modèle classique. Il assimile son modèle à un grain parallélépipédique au silicium multicrystallin auquel il affecte un système de coordonnées cartésiennes à trois dimensions.
Son objectif était de déterminer l’influence de certains paramètres tels que : l’épaisseur de la base, la taille de grain, la longueur de diffusion des porteurs de charges minoritaires, les vitesses de recombinaisons aux faces avant et arrière de la photopile et aux joints de grain sur les propriétés photovoltaïques.
Une étude comparative des résultats obtenus pour des photopiles conventionnelle et non conventionnelle au silicium monocrystallin a été faite.
Conclusion
L’auteur tire de cette étude les conclusions suivantes sur :
i. La structure de la photopile : la base doit être assez fine avec une valeur inférieure à 100μm et la face avant doit avoir une faible passivité. La recombinaison à la face arrière n’est pas importante.
ii. La nature polycristalline du matériau : les dimensions du grain doivent être supérieures à 200μm. La vitesse recombinaison aux joints de grain n’est pas aussi importante que celle de la face arrière.
iii. L’ensemble de la nature et la structure du matériau : la longueur de diffusion doit être supérieure à 200μm.
Techniques de détermination des paramètres phénoménologiques d’une photopile en régime dynamique transitoire.
Dans cet article, les auteurs font une étude en régime transitoire par variation du point de fonctionnement d’une photopile au silicium sous éclairement multispectral constant. Le but de son étude est de déterminer les paramètres de la photopile comme la durée de vie des porteurs minoritaires de charge τ, les vitesses de recombinaison à la jonction Sj et à la face arrière SB.
La figure suivante représente la caractéristique courant-tension permettant d’obtenir les points de fonctionnement P et F.
Conclusion
L’étude bibliographique que nous venons de faire montre que la plupart des auteurs ont étudié la photopile au silicium polycristallin sous éclairement multispectral constant. Pour déterminer les paramètres phénoménologiques de la photopile en régime transitoire, ils mettent la photopile dans des conditions idéales de circuit ouvert ou de court circuit.
Les photopiles utilisées ont des jonctions horizontales et les modes d’éclairement sont pour la plupart perpendiculaires aux surfaces avant et arrière.
A la différence de ces études antérieures faites sur les photopiles monofaciale, bifaciale à jonction horizontale à une, deux et même trois dimensions en régimes statique et transitoire, notre étude portera sur une nouvelle forme de photopile.
Les caractéristiques de la photopile sont les suivantes :
La jonction est verticale.
On éclaire parle haut, parallèlement à la jonction.
Introduction
Dans ce chapitre, nous ferons une étude à trois dimensions du régime dynamique transitoire obtenu par variation du point de fonctionnement (VPF)[Figures (II-1-2-3)] d’une photopile au silicium polycristallin à jonction verticale, sous éclairement multispectral constant donnée par la figure (II-4).
Le point de fonctionnement est donné par la caractéristique courant-tension [Figure (II-2-3)] obtenue en éclairant la photopile en régime stationnaire. Ainsi, on assiste à une modification de la densité de porteurs de charges minoritaires due aux effets de diffusion et de recombinaison aux joints de grain et à la jonction qui passe d’un point de fonctionnement à un autre.
Ainsi le régime transitoire qui fera l’objet de notre étude n’est rien d’autre que l’état entre ces deux régimes stationnaires et obtenu expérimentalement.
Dispositif expérimentale et principe de fonctionnement
Dispositif expérimental
La figure (II-1) représente le schéma du dispositif expérimental utilisé pour l’obtention du régime transitoire par variation du point de fonctionnement de la photopile à jonction verticale.
Conclusion
Dans cette partie, nous avons fait l’étude de la densité de porteurs en régime transitoire sous éclairement multispectral constant d’une photopile à jonction verticale au silicium polycristallin. Il découle de cette étude que le gradient des porteurs de charges photocrés diminue considérablement à partir de la surface incidente, jusqu’à atteindre une faible valeur.
La densité de porteurs charges est influencée par les paramètres de recombinaison tels que les vitesses de recombinaison sur les surfaces du grain et de la jonction, longueur de diffusion, taille de grain….c’est aussi pour la phototension transitoire qui est une fonction décroissante exponentielle.
Conclusion Générale
Nous avons fait dans ce travail une étude en modélisation du régime transitoire par variation du point de fonctionnement d’une photopile à jonction verticale au silicium polycristallin sous éclairement multispectral constant. A partir des calculs à trois dimensions, on a tracé les courbes de la densité des excès de porteurs minoritaires de charge en fonction du temps et de la profondeur de la base de la photopile. L’analyse de ces courbes a montré l’effet des paramètres de recombinaison tels que les vitesses de recombinaison, de la longueur de diffusion, de la taille de grain…sur l’excès de porteurs de charges qui diminue en fonction du temps. Cette modification de la densité des porteurs minoritaires de charge a affecté la phototension transitoire obtenue après quelques approximations.
Ainsi, il découle de cette étude que les résultats obtenus soient en bon accord avec l’étude bibliographique faite dans le premier chapitre.
En réalité, l’originalité de notre étude réside dans la forme de photopile utilisée.
En perspectives, on peut:
Faire une étude expérimentale du régime transitoire de la photopile à jonction verticale.
Faire une étude comparative des paramètres trouvés entre les photopiles à jonction horizontale et verticale.
Etudier le régime transitoire de la photopile à jonction verticale sous double éclairement multispectral constant.
Voir l’effet du champ magnétique sur les paramètres de recombinaison de la photopile.
Faire le modèle équivalent de la photopile à jonction verticale.
L’exploitation des ces expressions fastidieuses trouvées dans nos calculs a été faite au moyen d’outils informatiques tels que le mathcad et le mathlab
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