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ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES SUR LE REGIME DYNAMIQUE FREQENTIEL
Introduction
Bien que le rayonnement solaire soit une énergie inépuisable, la conversion photovoltaïque impose une certaine maîtrise de la technologie des cellules solaires. A cet effet des études beaucoup plus poussées de nos jours, sont menées en vue d’améliorer le rendement de cette conversion ; lequel rendement est intimement lié aux défauts de fabrication des cellules solaires et aux recombinaisons dans le matériau semi-conducteur .Il s’avère alors nécessaire de caractériser au préalable le matériau de base constituant la photopile, afin d’en prédire les performances.
L’étude de ces photopiles conduit généralement à la mesure du photocourant, de la phototension et des paramètres de recombinaisons ;
Dans ce chapitre nous présenterons des études théoriques et techniques de détermination de la densité de photocourant portant sur des models à une et à trois dimensions
Coupled ac Photocurrent and photothermal reflectance Response Theory of Semiconducting p-n junction
Les auteurs de cet article se basent ici sur des théories et un formalisme mathématique pour déterminer la densité de courant photogénérée par les porteurs de charge. Le dispositif utilisé est un semiconducteur à jonction p-n modélisé à une dimension. Cette cellule solaire au silicium est éclairée par une lumière monochromatique modulée.
Le flux de photon pénétrant dans le matériau pendant un temps t s’exprime en fonction de sa profondeur x par la relation suivante :
Modelling of a reverse cell made with improved multicrystalline silicon wafers
Dans cet article l’étude porte sur une photopile multicristalline sous éclairement monochromatique par la base.
Le modèle colonnaire sous forme de parallélépipède (figure 1) a permis aux auteurs de modéliser les joints de grain d’une manière beaucoup plus simple. En plus du modèle quelques hypothèses ont été faites :
– Les joints de grain sont perpendiculaires à la jonction.
– Les vitesses de recombinaison aux joints de grain sont Figure 1 : Grain isolé négligeables dans l’émetteur qui est surdopé et au niveau de la zone de charge d’espace.
– la résistance série est prise en compte et les résistances de contact négligées.
– La surface qui reçoit le rayonnement est recouverte d’une couche anti-reflet, les réflexions au niveau de la face avent et de la face arrière ne sont pas prises en compte.
L’équation de continuité s’écrit comme suit :
Influence of dislocation on electrical properties of large grained polycrystalline silicon cell. I. Model
Afin d’étudier l’influence des dislocations sur les propriétés électriques d’une cellule solaire polycristalline, une photopile n+ − p à émetteur très mince dopé n+ et à base épaisse dopé p obtenue par diffusion de phosphore a été utilisée dans cet article.
Dans la figure 2 le grain est à faces carrées. Ce modèle colonnaire utilisé a facilité aux auteurs la simulation à 2D et à 3D des joints de grain (dislocation). Ces derniers ont mené l’étude sur une région du Figure 2 grain isolé grain bien loin des bords où l’effet des joints de grain est négligeable.
Pour simplifier les calculs quelques hypothèses ont été faits :
• Les vitesses de recombinaisons aux joints de grain sont perpendiculaires à la jonction.
• Les dislocations sont considérées comme des zones de recombinaisons allant de la face avant à la face arrière.
• La contribution de l’émetteur est négligée.
• Les résistances shunt et série sont négligées.
• Un contact ohmique est appliqué à la face arrière.
La densité de dislocation est définie à partir de la largeur 2a et s’écrit comme suit :
Elle est donc obtenue à partir de la densité de porteurs minoritaires de charge en excès au niveau de la base.
L’influence des joints de grain et de vitesse de recombinaison aux joints de grain est étudiée sur le photocourant en court circuit. Il en ressort :
• Qu’il existe une dépendance entre la densité de photocourant et la taille du grain pour des vitesses de recombinaison variant entre 103 et 106 cm/s
• La densité de photocourant décroît avec la taille du grain, cette décroissance dépend aussi de la valeur de la vitesse de recombinaison aux joints de grain (Sd) . elle est plus rapide pour les grandes valeurs de Sd.
A propos de cette dernière les conditions aux limites utilisées dans la plupart de ces études ne prennent pas en compte la vitesse de recombinaison à la jonction et supposent des cas limites (condition de court circuit par exemple) [5].
Cette étude nous a permis de connaître une méthode de détermination de la densité de photocourant à partir de la densité des porteurs minoritaires de charge en excès. Elle nous a permis également de savoir les relations qui existent entre la taille du grain, la pulsation ω , les vitesses de recombinaison aux joints de grain et les valeurs propres solutions des équations transcendantes.
Dans la suite nous étudierons une photopile polycristalline éclairée par la face avant de l’émetteur. L’étude se portera sur l’influence de la fréquence sur la densité de photocourant sur la phototension et éventuellement sur le courant de court circuit et sur la phototension en circuit ouvert.
PHOTOPILE AU SILICIUM POLYCRISTALIN JONCTION VERTICALE EN REGIME DYNAMIQUE FREQUENTIEL SOUS ECLAIREMENT MONOCCHROMATIQUE
INTRODUCTION
Dans ce chapitre l’étude porte sur un modèle à trois dimensions d’une photopile monofaciale au silicium polycristallin sous éclairement monochromatique en régime dynamique fréquentiel.
Le silicium polycristallin est composé de plusieurs grains de forme et de taille très diverses.
C’est pourquoi pour simplifier la modélisation des joints de grain nous allons utiliser un model colonnaire [6] comme le montre la figure 3b où le grain est représenté par un parallélépipède lié à un système de coordonnées cartésiennes ; Ceci rend possible l’analyser de la distribution des porteurs minoritaires de charge sur un grain à trois dimensions.
DENSITE DE PHOTOCOURANT DES PORTEURS MINORITAIRES
Cette densité est due à la diffusion des porteurs minoritaires dans la photopile. Elle s’exprime comme suit.
La figure 5 montre deux paliers de la densité de photocourant. Un palier correspondant aux faibles valeurs de vitesse de recombinaison à la jonction où la densité de photocourant est pratiquement nulle. on parle du fonctionnnement de la photopile en circuit ouvert. Un autre palier correspondant aux grandes valeurs de la vitesse de recombinaison à la jonction où la densité de photocourant atteint son maximum : on parle du fonctionnement de la photopile en court circuit. Nouès notons également une diminution de la valeur maximale du photocourant quand la taille de grain augmente.
CONCLUSION
Dans ce chapitre nous avons fait une étude en modèlisation à 3D d’une photopile monofaciale au silicium polycristallin sous éclairement monochromatique en régime dynamique fréquentiel. A partir del’expression de la densité des porteurs minoritaires de charge , régie par l’équation de continuité, nous avons déterminer la densité de photocourant ainsi que la phototension. Nous avons étudié les effets de la taille de grain et des vitesses de recombinaison à la jonction sur le photocourant et sur la phototension. Cette étude nous a permis de constater l’effet de ces paramètres sur les caractéristiques macroscopiques et donc sur les performances de la photopile.
Les performances de la photopile diminue ou augmente respectivement lorsque la taille de grain augmente ou diminue.
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Dans le premier chapitre nous avons présenté une étude bibliographique sur le régime dynamique fréquentiel. Cela nous a donné une méthode de détermination de la densité de photocourant et de la phototension à partir de l’expression de la densité des porteurs minoritaires de charge, régie par l’équation de continuité.
Dans le second chapitre nous avons présenté l’étude en modélisation à 3D d’une Photopile monofaciale au silicium Polycristallin sous éclairement monochromatique en régime dynamique fréquentiel. Nous avons déterminé le photocourant et le phototension à partir de l’expression de la densité des porteurs minoritaires de charge. Nous nous sommes intéresses par la suite à l’étude des effets de la taille de grain et des vitesses de recombinaison aux joints de grain sur le photocourant et sur la phototension. Cette étude nous a montré la forte influence de ces paramètres sur les caractéristiques macroscopiques de la photopile .Les performances de la photopile sont inversement proportionnelles à la taille du grain. Elles diminuent quand la taille de grain augmente. Ce qui est un peu contradictoire aux résultats connus sur les performances des photopiles en générale. Il serait alors intéressant de voir ultérieurement le pourquoi de ces contradictions.
Toujours dans les perspectives quelques axes sont envisageables :
Eclairement polychromatique
Eclairement par la face arrière et simultanée
Contribution de l’émetteur
Courant de court circuit
Phototension en circuit ouvert
Effet du champ magnétique sur les vitesses de recombinaisons
Régime dynamique transitoire
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