Etude de la capacité de la photopile bifaciale au silicium

LA PHOTOPILE BIFACIALE

Les cellules solaires appelées aussi photopiles transforment directement l’énergie solaire en énergie électrique de type continu. Les photopiles monofaciales sont les premières à être utilisées mais leur rendement était un peu faible et leur coût très élevé. Plusieurs travaux de recherches [2, 3] ont été menés sur les photopiles dans le but d’améliorer leur rendement de conversion photovoltaïque. C’est en 1977 lors de la première Conférence Européenne sur l’Energie Solaire que des chercheurs ont présenté des nouveaux types de photopiles, notamment les photopiles bifaciales [4]. Figure I.1: Installation d’une photopile bifaciale  L’intérêt de ces photopiles est de pouvoir être éclairé sur les deux faces : • pour la face avant avec l’éclairement incident normal • pour la face arrière avec l’albédo qui représente le flux lumineux réfléchi par le revêtement du plan horizontal où est installée la photopile (figure I-1). Cet éclairement des deux faces de la photopile entraine donc une augmentation du rendement de la photopile [5]. Il existe différents types de photopiles bifaciales :  Les photopiles bifaciales à double jonction La première photopile bifaciale à double jonction de type p+np+ a été proposé par H. Mori [5]. Il met en exergue le rôle de la deuxième jonction au niveau de la face arrière. Figure I.2: Photopile à double jonction Quand la photopile est éclairée les photons qui ont une grande longueur d’onde sont générés à l’intérieur de la base et les porteurs crées pourront être collectés au niveau de la deuxième jonction et augmenter le rendement. Elle peut être aussi éclairée par le principe de l’albédo. Le problème majeur se trouve au niveau de la face Chapitre 1 : Etude bibliographique Mémoire de Master SOLMATS, Mohamed Lemine Ould Cheikh, Mai 2011, FST/UCAD 11 arrière ; puisqu’elle est métallisée les porteurs photocréés pourront s’y recombiner et diminuer le rendement. C’est dans ce contexte que des recherches ont êtes faites pour améliorer la photopile et ont conduit à différentes passivations de la face arrière.  Les photopiles bifaciales à champ arrière BSF Pour pallier aux phénomènes de recombinaison au niveau de la face arrière, un « surdopage » de faible épaisseur y est réalisé. Cette jonction « high-low » crée un champ arrière qualifié de BSF (Back Surface Field) [6, 7]. C’est ce champ arrière qui renvoie les porteurs générés au voisinage de la face arrière vers l’intérieur de la base avant qu’ils ne recombinent, d’où une augmentation du rendement. Figure I.3: Photopile bifaciale à champ arrière  Les photopiles bifaciales à passivation diélectrique Sur ces photopiles le métal au niveau de la face arrière est remplacé Figure I.4: Photopile à passivation diélectrique  par une grille et l’interface est passivé par un diélectrique. Deux chercheurs [2, 8] ont proposé une structure simple n+p en 1977 ou ils ont utilisés l’oxyde (SnO2) pour passiver la face arrière et la bifacialité mesurée est de 63%. III. TECHNIQUES DE DETERMINATION DE LA CAPACITE DE DIFFUSION III.1 Silicon solar cell space charge region width determination by a study in modelling [9] Les auteurs de cet article développent une étude en modélisation de la capacité d’une photopile bifaciale au silicium monocristallin sous éclairement multispectral constant en régime statique et à une dimension. L’équation de diffusion relative à la densité de porteurs minoritaires de charges en excès photogénerés dans la base est donnée par : 𝜕2𝛿𝑛(𝑥) 𝜕𝑥2 − 𝛿𝑛(𝑥) 𝐿2 = − 𝐺(𝑥) 𝐷 (I-1) où D et L représentent respectivement le coefficient et la longueur de diffusion des porteurs minoritaires en excès dans la base G(x) : le taux de génération des paires électrons-trous dans la base de la photopile pour un éclairement incident multispectral par la face avant G (x) = ∑ ai𝑒 3 −bix 𝑖=1 (I-2) où les paramètres ai et bi étant définis par le modèle d’éclairement de S-N Mohammad [10]. Chapitre 1 : Etude bibliographique Mémoire de Master SOLMATS, Mohamed Lemine Ould Cheikh, Mai 2011, FST/UCAD 13 Ils résolvent l’équation (I-1) en utilisant les conditions aux limites à la jonction(x=0) et en face arrière (x=H) et introduisent les termes SF [11] et SB [12] qui sont respectivement les vitesses de recombinaison à la jonction et à la face arrière. Les profils des densités relatives des porteurs en fonction de la profondeur de la base pour différentes valeurs de SF révèlent que le maximum de densité se déplace en profondeur lorsque SF augmente ; il y a donc élargissement de la zone de charge d’espace dû à une collecte plus importante de porteurs et que deux régions caractéristiques dans la base se dégagent : -Une première région où les gradients sont positifs qui correspondent aux porteurs traversant la zone de charge d’espace -Une seconde zone où les gradients sont négatifs correspondant aux pertes de porteurs par recombinaison dans le volume de la base de la photopile Les expressions des densités de photocourant et phototension à la jonction sont données par : JPH = q. D ∂δ(x) ∂x � x=0 R (I-3) VPH = VT. ln( Nb ni 2 . δ(0) + 1) (I-4) où q est la charge élémentaire, VT est la tension thermique, ni la concentration intrinsèque des porteurs et NB le taux de dopage de la base. Connaissant la phototension, la capacité qui est le rapport de la charge stockée sur la phototension est immédiatement déduite :  C=q.𝛿𝑛(0) 𝑉𝑝ℎ (I-5) Le profil de la capacité en fonction de SF indique qu’en circuit ouvert(SF⤍0) la capacité est maximale, ceci est dû au nombre important de porteurs stockés à la jonction : il y a blocage et qu’en court-circuit(SF⤍∞) la capacité tend vers zéro, pratiquement tous les porteurs traversent la jonction. Les auteurs déduisent une expression de la capacité à partir du graphe de log(C) en fonction de Vph qui est une droite. La jonction est donc assimilable à un condensateur plan dont la capacité est donnée par : C= ε A / X0 (I-6) ε est la constante diélectrique de la jonction, A la surface commune en regard, X0 la position du maximum de la densité des porteurs minoritaires donne l’épaisseur de la zone de charge d’espace. III.2 Thickness of p/n junction space-charge layers [13] Dans cet article les auteurs ont développé un modèle de l’épaisseur de la zone de charge d’espace en se basant sur les porteurs de charge libres de cette région. Leur modèle est une forme analytique pour des tensions moyennes et assez élevées, et implicite pour des tensions négatives et faibles. Le concept de base utilisé pour résoudre la question de l’épaisseur de la zone de charge d’espace est d’exploiter des mécanismes physiques appropriés et la relation entre l’épaisseur et la capacité de la zone de charge d’espace. C’est ainsi que des modèles d’expressions de la capacité ont été développés et parmi eux on a l’expression suivante :  𝐶 = 𝜀 𝑋 + 𝑞 ∫ ( 𝑋𝑝 −𝑋𝑛 𝑛(𝑜𝑢 𝑝) 𝑉 )𝑥 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 ∙ 𝑑𝑥 = CD + CF (I-7) où 𝜀 est la permittivité diélectrique n est la concentration des électrons p : la concentration des trous V : le potentiel de Fermi -Xn et Xp sont les limites de la zone de charge d’espace CD est la capacité résultant de la variation du nombre de porteurs de charges libres due à la variation de la tension appliquée dV aux extrémités de la zone de charge d’espace CF est la capacité résultant de la variation du nombre de porteurs de charges libres dans le volume de la Z.C.E. Les auteurs de cet article raisonnent avec des jonctions constantes à profil exponentiel dans lesquelles le taux de dopage à une position x de la cellule solaire s’écrit : N(𝑥)=(1−𝑒𝑥𝑝[-𝑎𝑥/𝑁𝐵]) (I-8) NB est le taux de dopage de la base a : gradient de la jonction Deux cas limites se dégagent : – la jonction se trouvant dans la base – la jonction est à gradient linéaire En utilisant la méthode de Simpson qui est une méthode numérique de calcul d’intégral, les auteurs déterminent l’expression de la capacité puis à partir de celle-ci déduisent X(V) numériquement dans chaque cas. Ils comparent leur modèle avec le modèle de déplétion et la technique itérative pour valider leurs résultats.  Pour des tensions faibles (V≤−0.1𝑉), le modèle développé par les auteurs de l’article est en accord avec le modèle de déplétion ; les modèles sont en désaccord pour des tensions élevées. Le tracé des courbes X en fonction de la tension pour le modèle proposé par les auteurs et celui de la méthode itérative indique un écart pour des tensions faibles car dans la méthode itérative l’égalité CD=CF est imposée alors que les auteurs eux ont négligés CF; par contre ces deux méthodes sont en accord pour des tensions élevées