Caractérisation de photopiles à jonctions verticales sous éclairement monochromatique avec angle d’incidence

Caractérisation de photopiles à jonctions verticales sous éclairement monochromatique avec angle d’incidence

 EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 

L’effet photovoltaïque se manifeste par l’apparition d’une différence de potentiel à la jonction entre un métal et un semiconducteur ou entre deux semiconducteurs lorsque le dispositif reçoit un rayonnement lumineux de longueur d’onde adéquate. Ainsi une cellule photovoltaïque peut convertir l’énergie solaire en énergie électrique en mettant en jeu ce phénomène physique optoélectronique. Le rayonnement solaire est constitué de photons transportant chacun une énergie Eph, qui répond elle-même à la relation (I-1) : Eph = h.c/λ (I-1) λ (m) représente la longueur d’onde, h la constante de Planck (6,62.10-34 J.s), c la vitesse de la lumière (3.108 m/s). D’après l’équation (I.1), l’énergie transportée par un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde. Le flux d’énergie solaire est transmis sous forme de rayonnements électromagnétiques, dont l’ensemble des longueurs d’ondes est assez proche de celui émis par les corps noirs présents dans l’espace. Figure I.1 : Exemples de spectre solaire Les longueurs d’ondes du rayonnement solaire terrestre sont comprises entre 0,2μm (ultraviolet) et 2,4μm (infra-rouge) avec un maximum d’énergie pour 0,5μm. 97,5% de l’énergie solaire est comprise entre 0,2μm et 2,5μm. De 0,4μm à 0,8μm, le spectre correspond au domaine du visible. Les capteurs d’énergie solaire doivent donc être compatibles avec ces Etude bibliographique 19 Moustapha Sané, Thèse de Doctorat, LASES, FST/UCAD, SENEGAL 2017 longueurs d’ondes pour pouvoir piéger les photons et les restituer sous forme de chaleur ou d’électrons. Le tableau I.1 ci-dessous donne les valeurs énergétiques caractéristiques des photons pour diverses longueurs d’ondes, ainsi que les zones correspondants au spectre lumineux. Tableau I-1 : Valeurs énergétiques des photons issus du spectre solaire λ(m) Eph(eV) Zone 0,2 6,2 Ultra-violet 0,4 3,1 Visible bleu 0,5 2,48 Visible Jaune-vert 0,78 1,59 Visible rouge 1 1,24 Infrarouge 2 0,62 Infrarouge 4 0,31 Infrarouge Pour que le rayonnement solaire produise un courant électrique dans un matériau donné, faisant alors office de capteur, il faut que les photons soient tout d’abord absorbés par un ou plusieurs matériaux sensibles à la longueur d’onde des photons. Puis, l’énergie des photons excite des électrons, qui sont ensuite collectés afin de constituer un courant électrique globa

CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE

Description d’une cellule photovoltaïque Un système photovoltaïque est un dispositif qui convertit directement l’énergie du rayonnement (solaire) en énergie électrique. L’élément de base de ces systèmes est la cellule photovoltaïque, appelée aussi cellule solaire ou photopile représentée à la figure I.2. La figure I.2 montre qu’une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui a la forme d’une plaque mince. Cette plaque est constituée d’une jonction entre deux couches semi-conductrices (ou entre une plaque métallique et une couche semi-conductrice). Chaque couche est reliée à un conducteur électrique, de sorte que l’on dispose de deux fils pour relier la cellule à un circuit électrique extérieur. 

Technologies

 Pour la fabrication des photopiles solaires, différentes technologies ont été développées de par le monde ; on peut citer parmi les plus importantes les multijonctions à concentration, les couches minces, les cristallines et les technologies émergentes : a) Les photopiles multijonctions à concentration Dans cette famille, on retrouve essentiellement les « double jonctions » et les « triple jonctions » mais cette association de jonctions peut aller jusqu’à six comme on peut le voir sur les figures I.3 et I.4 (H. Cotal et al, 2009). Figure I.3: Structure de cellule solaire à triplejonction. Figure I.4: Structures de cellule solaire à 5 et 6 jonctions. b) Les photopiles à couches minces Pour ce type de photopiles, plusieurs technologies de fabrication ont été mises au point notamment à base d’arséniure de gallium (GaAs), de tellurure de cadmium (CdTe), de diséléniure de cuivre et d’indium (CISe2), de silicium amorphe, de silicium nanocristallin, microcristallin ou polycristallin et de multijonctions polycristallines (C. R. Wronski et al, 2000). La figure I.5 nous montre un aperçu de ces technologies à couches minces. Figure I.5 : Les structures CIGS (à gauche), CdTe (au milieu) et a-Si (à droite) Etude bibliographique 21 Moustapha Sané, Thèse de Doctorat, LASES, FST/UCAD, SENEGAL 2017 c) Les photopiles cristallines Dans cette famille de photopiles on trouve une large variété de technologies que l’on peut subdiviser de la manière suivante :  Les photopiles monocristallines  Les photopiles multicristallines  Les hétérostructures On peut illustrer ces technologies à travers quelques structures que voici : (a) (b) (c) Figure I.6 : Exemples de photopiles cristallines : (a) et(b) polycristalline, (c) hétérostructure Il faut remarquer cependant que pour toutes les technologies que nous avons eues à citer, la jonction est toujours perpendiculaire à l’éclairement ; cela présente un inconvénient majeur du fait que les porteurs photogénérés ne le sont pas à égale distance de la jonction et donc une majorité de ces porteurs ne peut atteindre la jonction à moins d’avoir une longueur de diffusion très grande. Pour pallier à cet inconvénient, les photopiles à jonction dites verticales pour lesquelles l’éclairement est parallèle à la jonction furent développées ; cela a pour conséquences d’avoir les porteurs photogénérés à même distance de la jonction mais surtout les structures à jonctions verticales présentent de plus faibles valeurs de résistance série et sont bien mieux adaptées au fonctionnement sous concentration (H. Lu et al, 1993). Les photopiles à jonctions verticales sont en réalité une cascade de jonctions PN assemblées en série ou en parallèle d’où les appellations de photopile à jonction verticale série et photopile à jonction verticale parallèle comme on peut le voir sur les figures I.7 et I.8 : Figure I.7 : Jonction verticale parallèle Figure I.8 : Jonction verticale série d) Les technologies émergentes Il s’agit essentiellement des photopiles organiques : polymères et inorganiques et des photopiles à colorant ou photopiles de Graëtzel. Figure I.9 : Structure d’une photopile organique L’amélioration des structures existantes et la création de nouvelles structures de photopiles permettent l’augmentation du rendement de conversion photovoltaïque. Nous présentons ainsi à la figure I.10 l’évolution des rendements de conversion photovoltaïque par technologie de photopile (NCPV, 2013).  

 CARACTERISATION DE LA PHOTOPILE

 Nous présentons ici quelques travaux importants sur la caractérisation de la photopile. Micro-photopiles à jonction verticale au silicium pour la concentration [Vertical junction Si micro-cells for concentrating photovoltaics] (R. Sarfaty et al, 2011) Dans cet article, les auteurs ont montré l’intérêt de travailler avec les photopiles à jonction verticale. Les cellules solaires au silicium à jonction verticale (JV) présentent l’intérêt de fonctionner sous concentration élevée due à la possibilité d’opérer à faible courant et tension élevée compte tenu des faibles pertes due à la résistance série, mais les essais ont montré jusqu’ici que l’efficacité est modeste environ 20%. Ils réalisent une étude complète d’optimisation en 2D et 3D et montrent que l’efficacité des cellules à jonctions verticales multiples (JVM) peut être sensiblement plus élevée, autour de 30% à la concentration de 1000 soleils et même plus. L’atteinte du rendement élevé exige une largeur micro-jonction d’environ 50 microns, qui est sensiblement plus petite que les cellules antérieures à celles des JVM. Ceci exige une approche monolithique dans le processus de fabrication. Les auteurs ont réalisé des jonctions verticales séparées avec différentes largeurs sur un substrat de silicium sur isolant (SOI). Les mesures du rendement de conversion en fonction de la largeur de jonction pour différentes intensités d’illumination concordent avec ce qui était prévu par la simulation : les rendements les plus élevés ont été obtenus par micro-JV de 50 microns de largeur. Mesure et analyse de la réponse angulaire sur des cellules solaires au silicium non encapsulées et encapsulées [Measurement and analysis of angular response of bare and encapsulated silicon solar cells] (J. L. Balenzategui et F. Chenlo, 2005) Ici, les auteurs mettent l’accent sur la réponse de photopiles et modules de différentes technologies sous l’effet de l’angle d’incidence ; pour cela les auteurs s’appuient essentiellement sur les paramètres électriques de la photopile que sont la tension de circuit ouvert Voc et le courant de court-circuit Isc. Afin de mener à bien leurs expériences, les auteurs se basent sur la théorie idéale suivante : L’énergie rayonnée en fonction de l’angle  , d’après la loi des cosinus, est de la forme     EE 0 cos.  (I-2) Puisque le courant de court-circuit Isc de la photopile dépend linéairement de l’éclairement, il peut être mis sous la forme : Ce qui donne sc    II 0  cos (I-4) I0 étant le courant de court-circuit à l’incidence normale. La variation de la tension en circuit ouvert des cellules peut être décrite en négligeant la résistance et les effets de second ordre par l’expression. 0 ln  cos e TK co mVV   (I-5) Les auteurs utilisent le dispositif expérimental de la figure I.11 dans lequel ils font pivoter la photopile pour enregistrer la tension de circuit ouvert et le courant de court-circuit suivant l’angle d’incidence. Figure I.11: Dispositif expérimental A partir de ces mesures, une comparaison de l’effet de l’angle d’incidence sur la photopile encapsulée et sur la photopile non encapsulée a été faite et ce pour différentes technologies. Les auteurs montrent ainsi que dans pratiquement tous les cas, l’encapsulation améliore la réponse angulaire des photopiles solaires.Influence de l’angle d’incidence, de la taille du grain et de la vitesse dynamique au joint de grain sur la capacité de diffusion de la photopile bifaciale. [Influence of illumination incidence angle, grain size and grain boundary recombination velocity on the bifacial solar cell diffusion capacitance] (M. M. Deme et al, 2010) Dans ce travail une étude en modélisation à 3 dimensions d’une photopile bifaciale est présentée ; en particulier, les effets de la taille de grain, de la vitesse dynamique aux joints de grain et de l’angle d’incidence sont mis en exergue sur la densité de porteurs minoritaires photocréés dans la base ainsi que sur la capacité de diffusion de la photopile. Ils montrent ainsi les effets néfastes des recombinaisons aux joints de grain avec une rapide diminution de la capacité de diffusion et du rendement de cette même capacité ; c’est l’effet contraire que l’on observe avec l’augmentation de la taille de grain. En traçant le logarithme de la capacité en fonction de la phototension, les auteurs obtiennent une droite et déduisent la capacité sous obscurité comme étant l’ordonnée à l’origine de la courbe obtenue. L’évolution tant de la densité de porteurs minoritaires en excès dans la base de la photopile que de la capacité de diffusion montrent une variation en cosinus avec l’angle d’incidence mais pour le rendement de conversion de la capacité, on obtient un optimum au voisinage de /6 rad. Modélisation à trois dimensions de convertisseurs photovoltaïques conventionnels et à jonction verticale [Three-Dimensional Models of Conventional and Vertical Junction Laser-Photovoltaic Energy Converters] (J. H. Heinbockel et G. H. Walker, 1988) Les travaux présentés ici portent sur une étude en modélisation à 3 dimensions de deux photopiles sous éclairement Laser : une photopile à jonction horizontale et une photopile à jonction verticale (voir figure I.12).