Généralités sur la conversion Photovoltaïque

Réponses spectrales de cellules solaires à base de CuInSe2

Généralités sur la conversion Photovoltaïque 

 Introduction 

L’énergie photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité. Cette conversion se produit au sein des matériaux semiconducteurs, qui ont comme propriété de libérer leurs porteurs de charge sous l’influence de la lumière. L’effet photovoltaïque est découvert en 1839 par Edmond Becquerel par l’apparition d’un potentiel électrique entre deux électrodes lorsqu’elles sont illuminées

 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 

Une cellule solaire à semiconducteur est un dispositif constitué de deux semiconducteurs de conductions différentes, type p (les trous sont les porteurs majoritaires et les électrons les porteurs minoritaires) et type n (les électrons sont les porteurs majoritaires et les trous les porteurs minoritaires), il permet de débiter un courant électrique dans une charge externe lorsque celui-ci est exposé à la lumière, grâce à une partie du flux lumineux absorbé [13]. Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque est illustré sur la figure suivante : Les photons incidents créent des porteurs de charge dans chacune des régions 1, 2 et 3. Le comportement de ces porteurs libres diffère suivant le lieu de leur création. Dans les régions électriquement neutres P et N, les photoporteurs minoritaires diffusent, ceux qui E – + + P N – hv hv hv 1 2 3 0 xp xn Zone de charge et d’espace xc Figure 1-1: Principe de la photodiode atteignent la zone de charge d’espace sont accélérés par le champ électrique vers la région où ils deviennent majoritaires. Ces photoporteurs contribuent donc au courant par leur diffusion dans le matériau. Dans la zone de charge d’espace, les paires électrons-trous créés par les photons sont dissociés par le champ électrique, l’électron est accéléré vers la région de type N et le trou vers la région de type P. Ces porteurs donnent naissance à un photocourant de génération. Ces différentes contributions s’ajoutent pour créer un photocourant résultant Iph qui contribue au courant inverse de la diode. ௏௤݁ቀ ௦ܫ = ܫ ௄் ൗ − 1ቁ − I௣௛ (1-1) La caractéristique de la photodiode est représentée sur la figure 1-2 suivante [14] : Figure 1-2 : caractéristique courant-tension ܫ (ܸ)de la photodiode La photopile ou cellule solaire est une photodiode qui fonctionne sans polarisation extérieure et débite son photocourant à travers une charge. Sous éclairement la caractéristique I(V) de la diode ne passe plus par l’origine des cordonnées, il existe une région dans laquelle le produit I ∙ V est négatif (figure 1-2), la diode fournit de l’énergie. I-3) Modèle équivalent de la photopile L’équation (1-1) ne modélise pas les pertes ohmiques du matériau caractérisées par une résistance série Rs et les courants parasites qui traversent la cellule caractérisés par une résistance shunt Rsh, ainsi que la diminution de la qualité de la diode suite aux phénomènes de recombinaison des porteurs. Pour tenir compte des pertes ohmiques du matériau, des courants parasites et de la qualité de la diode, l’équation de la caractéristique courant – tension est écrite sous la forme : est le courant de saturation de la photodiode, ܭ est la constante de Boltzmann, ߟ est le facteur d’idéalité, ܶ est la température. Le schéma électrique équivalent associé, est représenté sur la figure 1-3 suivante [15]: Figure 1-3 : schéma équivalent de la photopile en présence de résistances parasites I-4) Rendement quantique Le rendement quantique est le rapport entre le nombre de porteurs de charge dans le circuit externe et le nombre de photons incidents. On l’appelle aussi rendement de collecte, il est compris entre 0 et 1. C’est l’efficacité avec laquelle la photopile transforme l’énergie du rayonnement d’une certaine longueur d’onde en énergie électrique. Lorsque les photons perdus par réflexion et ceux qui sont transmis (absorption incomplète) ne sont pas pris en compte, on l’appelle rendement quantique interne ou réponse spectrale, dans le cas contraire il est appelé rendement quantique externe [16]. Le rendement quantique dépend du coefficient d’absorption des matériaux utilisés et de l’efficacité de la collecte. Il est mesuré en fonction de la longueur d’onde émise par une source monochromatique. Soit F le flux de photons reçus par la photopile et R son coefficient de réflexion optique. La réponse spectrale (ou rendement quantique interne) est définie par [17] : ೓೛௃ = ݏܴ ௤ி(ଵିோ) (1-3) Avec : ܬ ௛௣la densité de photocourant fourni par la photopile et q la charge de l’électron. 

rendement de conversion en puissance électrique

 Le rendement de conversion photovoltaïque en puissance électrique ߟ ஼des cellules photovoltaïques, se définit comme le rapport entre la puissance électrique maximale délivrée par la cellule et la puissance lumineuse incidente, il est donné par : la tension de circuit ouvert et ܫ ௖௖est le courant de court-circuit.

 Facteur de forme 

Le paramètre de remplissage ou facteur de forme ܨܨ représente l’efficacité de la cellule et informe sur son état de vieillissement. C’est un indicateur de la qualité de la photodiode et résulte des résistances série et parallèle.

Courant de court-circuit 

Le courant de court-circuit correspond au courant qu’on obtient lorsque la tension de polarisation V est nulle. Il s’agit du courant le plus important que l’on puisse obtenir avec une cellule solaire. Il croît avec l’intensité d’illumination et dépend de la surface de la cellule, du spectre d’excitation, de la stabilité des porteurs et de la température. On l’obtient en branchant directement un ampèremètre aux bornes de la photopile. 

Tension de circuit ouvert

La tension de circuit ouvert ܸ௖௢ est la tension qu’il faut appliquer à la photodiode dans le sens passant pour générer un courant qui annule le photocourant. Elle est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. On l’obtient en branchant directement un voltmètre aux bornes de la photopile.

Les différents types de cellules solaires

Il existe deux approches de base dans la réalisation des cellules solaires. La première consiste à réaliser la cellule avec du matériau monocristallin de haute qualité, son objectif est le haut rendement. Les cellules photovoltaïques monocristallines sont composées d’un seul monocristal divisé en deux couches, leur rendement est de l’ordre de 18% à 24 % [18,19]. Cette filière est dominée par le silicium et les composés III-V tels que GaAs et InP. Il existe aussi des cellules polycristallines, constituées de plusieurs petits cristaux mais leur rendement est plus faible, il est de l’ordre de 10 à 15 % [13]. La seconde approche consiste à réaliser les cellules en couches minces, déposées sur un substrat peu couteux comme le verre ou une feuille métallique. Parmi les différentes filières dans le domaine des couches minces, nous distinguons : – La filière silicium amorphe (a-si) : ces cellules sont composées d’un support en verre ou en plastique sur lequel on dépose une fine couche de silicium. Leur rendement varie entre 9 et 10% [20] et se dégrade dans le temps. – La filière des composés II-VI : Tellure de cadmium / Sulfure de cadmium (CdTe / CdS) Cette filière exploite les propriétés optiques optimales du CdTe qui a un gap direct de l’ordre de 1,5 eV [21] et un coefficient d’absorption photonique élevé dans tout le spectre solaire [22]. Le rendement de ces cellules excède 15% [23]. – La filière chalcopyrite à base de Cu-III-VI2 : Les composés ternaires chalcopyrites utilisés comme absorbeurs sont généralement le CuGaSe2, le CuAlSe2, le CuInSe2 et le CuInS2. Du fait de leurs grands coefficients d’absorption photonique, une épaisseur de 1 à 2 µm suffit pour absorber la partie utile du spectre solaire. Le matériau le plus prometteur dans cette famille semble être le CuInSe2, les cellules solaires à base de ce matériau peuvent atteindre un rendement de l’ordre de 18% [24]. – Les cellules solaires organiques : on les appelle aussi cellules plastiques, elles sont composées de semiconducteurs organiques, leur rendement est de l’ordre de 3 à 10% [25,26]. Cellules solaires à base de CuInSe2 Les cellules solaires à base de CuxS/CdS semblent être à l’origine du développement de la filière chalcopyrites à base de Cu-III-VI2. Le CuxS est un composé instable dans le temps [27], dans le but d’améliorer la stabilité de ce matériau, on y introduit progressivement de l’indium In, ce qui a ainsi conduit au CuInS2. Le CuGaSe2, le CuAlSe2, le CuInSe2 sont des composés qui dérivent du CuInS2. En se basant sur les modèles théoriques, Loferski propose une courbe du rendement théorique de conversion en fonction du gap du semiconducteur (figure 1-4) [28]. Ce modèle révèle qu’un matériau ayant un gap égal à 1,55 eV est optimal pour obtenir le meilleur rendement théorique de conversion photovoltaïque. De plus il doit être un matériau à gap direct, avec un coefficient d’absorption photonique élevé, et de préférence avec une conductivité de type p à cause de la longueur de diffusion des électrons qui est plus élevée que celle des trous. Dans cette posture, le CuInS2 est le matériau convenable mais sa performance reste inférieure à celle du CuInSe2. Le gap du CuInSe2 est de l’ordre de 1,04 eV, ainsi ce gap est augmenté en introduisant du gallium Ga ou de l’aluminium Al. Figure 1-4 : rendement théorique de conversion en fonction du gap du matériau [28] Le CuInse2 est un matériau composé qui est de type I – III – VI, de structure chalcopyrite, de plus en plus prometteur pour la production de masse de modules en films minces [29]. Dans le CuInse2, les écarts de composition ne traduisent pas des écarts dans le gap [30]. Des progrès considérables ont été accomplis dans le développement de cellules solaires chalcopyrites au cours des dernières années. Des hétérojonctions en couches minces utilisant des fenêtres (CdS ;ZnO) présentent des rendements de l’ordre de 14,1% [31], une stabilité remarquable et un faible coût de fabrication. Diverses techniques ont été mises en point pour préparer des couches minces de CuInse2, telles que l’évaporation flash, la coévaporation, l’épitaxie par jet moléculaire, l’électrodéposition etc… [32]. II-1) Propriétés optiques du CuInSe2 Le coefficient d’absorption optique du CuInse2 a à peu près le même seuil que celui du Silicium cristallin (Eg = 1,02 eV), mais il est de 100 à 1000 fois plus élevé dans la gamme 1,1 eV à 2,6 eV ce qui permet une épaisseur d’absorbeur de 1 à 2 µm [30]. Les principales améliorations sont venues de l’élargissement de la bande interdite du CuInse2 par l’utilisation d’alliage du type CuGaSe2 et CuInSe2. On peut réaliser avec le CuInse2, des alliages quaternaires, faisant passer le gap de 1,04 eV à 2,67 eV [33,34]. Ces alliages tels que le Cu(InGa)Se2, CuIn(SeS)2, Cu(InAl)Se2 et Cu(InGa)S2 ont des gaps appropriés aux fonctionnements de cellules solaires (voir figure 1- 5). Figure 1-5 : Absorbeurs chalcopyrites à base de Cu-III-VI2 [35] En effet on peut faire varier les propriétés du CuInse2 par substitution des atomes d’indium In et /ou de sélénium Se par des atomes de même valence (Ga ou Al pour In, S pour 19 Thèse de doctorat présentée par El Hadji Mamadou KEITA / SOLMATS – FST / UCAD Se). Ceci conduit à une famille très riche de composés, notée I-III-VI2, de largeur de bande interdite et de paramètres de maille ajustables. Le meilleur résultat est obtenu en substituant une partie des atomes d’indium par des atomes de gallium, conduisant à des matériaux de formule CuIn1-xGaxSe2 notés CIGS dont la largeur de bande interdite varie entre 1,04 et 1,68 eV : un rendement optimum de 19,5% est obtenu pour x=0,3, avec Eg= 1,15 eV [36]. Une autre voie consiste à jouer sur la substitution Se/S (entre 1,04 eV et 1,57 eV). II-2) Propriétés électriques du CuInSe2 Les cellules solaires à base de CuInse2 utilisent actuellement des couches de type p avec des concentrations de trous majoritaires comprises entre 1016 et 1017 cm-3 et des longueurs de diffusion des électrons minoritaires de l’ordre du micron. Le contrôle de ces concentrations de porteurs, qui dépendent des écarts à la composition stœchiométrique, comporte une part d’empirisme. Un excès de sélénium conduit au type p, un déficit au type n. La composition du CuInSe2 joue un rôle important dans les propriétés électriques de ce matériau en raison de ses conductivités en types n, intrinsèque et p. Sa conductivité électrique dépend des rapports Δm = (Cu/In) – 1 et Δs = [2Se/(Cu+3In)] – 1. Si Δm > 0 (riche en Cu) et Δs > 0 (riche en Se) la conductivité du matériau est de type p, sinon le matériau est de type n lorsque Δs < 0 (pauvre en Se) et Δm soit négatif (riche en In) ou positif. Dans certains cas les conductivités de types p et n sont observés pour Δm> 0 et Δs < 0 [11]. II-3) Propriétés structurales Le CuInSe2 est un composé ternaire de la famille des composés I-III-VI2 (de formule ABC2) ayant une structure cristalline qui dérive de la structure cubique du silicium. Figure 1-6 : Structure cristalline du CuInSe2 Cette structure est composée d’un sous-réseau anionique (ions se2- ou C2-) et d’un sous réseau cationique (ions Cu+ et In3+ ou A+ et B3+). La phase chalcopyrite, la seule à posséder de bonnes propriétés pour les applications photovoltaïques, correspond à un agencement ordonné des cations Cu+ et In3+ (ou A+ et B3+) dans leur sous-réseau [37] (voir figure 1-6). II-4) Composition de la cellule solaire à base de CuInSe2 Les cellules solaires à base de CuInse2 sont généralement du type hétérojonction c’està-dire les régions p et n sont constituées de matériaux différents. La figure 1-7 montre une structure de cellule solaire à base de CuInse2. Celle-ci comporte 5 couches minces. La première en molybdène ou d’ITO (indium tin oxyde) (0,5 µm) joue le rôle de contact métallique arrière [38]. La seconde est la couche de CuInse2 (2 µm). La troisième couche appelée couche tampon est une fine couche (moins de 50 nm) déposée à la surface du CuInse2, et constituée de sulfure de cadmium CdS (type n dopé à l’In). Elle se situe à l’interface avec les couches suivantes à base de ZnO (50 nm de ZnO intrinsèque, puis 0,5 à 1 µm de ZnO dopé Al). La couche de ZnO dopé Al (ZnO : Al ) est de type n fortement dopé (1020 cm-3). On montre aussi que la couche de ZnO intrinsèque peut être évitée en déposant une couche de CdS plus épaisse [13]. La couche de ZnO sert avec le CdS de partenaire avec le CuInse2 pour former la jonction n-p. Elle sert également d’électrode avant pour le dispositif final. La couche tampon (CdS) assure la transition électrique et structurale entre le CuInse2 et le ZnO. Sa présence permet de réduction considérable des pertes électriques associées aux mécanismes de recombinaison à l’interface [37]. La couche de ZnO intrinsèque complète la couche tampon sur le plan électrique en évitant le contact direct avec le ZnO : Al fortement dopé. Du fait de largeurs de bande interdite élevées, les couches de ZnO et de CdS laissent passer le rayonnement visible (d’où leur nom de couches fenêtres), qui est ensuite absorbé dans la couche de CuInse2. Les caractéristiques des cellules dépendent étroitement de celles des couches individuelles et de leurs interfaces. L’augmentation par exemple de la largeur de la bande interdite du CuInse2, s’accompagne d’une augmentation de la tension de circuit ouvert et d’une diminution du photocourant.