Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Etude en régime dynamique fréquentiel d’une cellule solaire en couches minces à base de Di-séléniure de Cuivre D’Indium et de Gallium

Rayonnement solaire

 Les atouts principaux de l’énergie solaire sont ; une réserve quasi-inépuisable à notre échelle, une accessibilité géographique, en dépit de son intermittence. Le solaire photovoltaïque (PV), dont la recherche a débuté vers les années 1950, est l’une des techniques les plus prometteuses pour récupérer cette énergie. Celle-ci a connu de nombreux développements et plusieurs technologies ont émergé à ce jour. Parmi les différentes technologies photovoltaïques, les cellules en couches minces présentent des avantages significatifs. 

 Energie solaire

 Le rayonnement solaire constitue une ressource énergétique indispensable au développement de la vie sur terre. Cette ressource abondante bien partagée sur la terre est utilisée sous divers applications. De la quantité d’énergie libérée par le soleil, celle captée par la planète terre pendant une heure pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an. Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d’énergie radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute petite partie de l’énergie solaire rayonnée dans l’espace. Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord externe de l’atmosphère terrestre (pour une distance moyenne terre-soleil de 150 Millions de km), c’est ce que l’on appelle la constante solaire égale à 1367W/m². La partie d’énergie reçue sur la surface de la 5 terre dépend de l’épaisseur de l’atmosphère à traverser, de la position du soleil… L’épaisseur de l’atmosphère est caractérisée par le nombre de masse d’air AM. Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer à midi dans un ciel clair est de 1000 W/m2 et est décrit en tant que rayonnement de la masse d’air « 1 » (ou AM1). Lorsque le soleil se déplace plus bas dans le ciel, la lumière traverse une plus grande épaisseur d’air, perdant plus d’énergie. Puisque le soleil n’est au zénith que durant peu de temps, la masse d’air est donc plus grande en permanence et l’énergie disponible est donc inférieure à 1000 W/m2. 

 Position du soleil 

La position du soleil est repérée à chaque instant de la journée et de l’année par deux systèmes de coordonnées différents. Par ailleurs selon la position de la surface du panneau solaire on peut décrire un angle 𝜃 que fait le rayon incident avec la normale de la surface du panneau solaire. Figure I. 1 : Angle Incidence θ Le cosinus de cet angle incident est calculé à chaque instant du jour en utilisant la formule astronomique suivante [4] : cos(𝜃) = sin(𝜰) × 𝒔𝒊𝒏(𝒍) × 𝒄𝒐𝒔(𝒔) − sin(𝜰) × 𝒄𝒐𝒔(𝒍) × 𝒔𝒊𝒏(𝒔) × 𝒄𝒐𝒔(𝝋) + 𝒄𝒐𝒔(𝜰) × 𝒄𝒐𝒔(𝒍) × 𝒄𝒐𝒔(𝒔) × 𝒄𝒐𝒔(𝝕) + 𝒄𝒐𝒔(𝜰) × 𝒔𝒊𝒏(𝒍) × 𝒔𝒊𝒏(𝒔) × 𝒄𝒐𝒔(𝝋) × 𝒄𝒐𝒔(𝝕) + 𝒄𝒐𝒔(𝜰) × 𝒔𝒊𝒏(𝒔) × sin(𝜰) × sin(𝝕) I-1 Où 𝜰 est la déclinaison solaire, ϖ l’angle horaire, l la latitude, s l’angle d’inclinaison du panneau solaire et 𝜑 l’angle azimutal. 

 Coordonnées équatoriales 

Le mouvement du soleil est repéré par rapport au plan équatorial de la terre à l’aide de deux angles. (𝜰, 𝝕) (Fig. I.2). 6 a- Déclinaison du soleil L’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan équatorial. 𝜰 =0,38 + 23,26 sin (2πJ’/365,24 – 1,395) +0,37 sin (4πJ’/365,24 – 1,457) [5]. I-2 𝜰 désigne la déclinaison en degrés et J’ le numéro du jour de l’année du calendrier (à partir du premier janvier) Figure I. 2 : Repère équatorial b- Angle horaire du soleil C’est l’angle compris entre le méridien origine passant par le sud et la projection du soleil sur le plan équatorial, il mesure la course du soleil dans le ciel. En outre c’est la deuxième coordonnée équatoriale du Soleil, et c’est l’angle défini comme compté positivement vers l’Est, entre la position actuelle du plan méridien local et la position de ce même méridien à midi vrai (ou entre le plan méridien local et le plan méridien qui contient le centre du Soleil à l’instant qui nous concerne). 𝜛 = 𝜋 × (1 − 𝐻𝑇 12) en radian I-3 Où 𝜛 = 𝜋 × (𝐻𝑇 − 12) 𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑔𝑟é𝑠 I-4 Où HT est le temps solaire vraie égale au temps légal corrigé par un décalage dû à l’écart entre la longitude du lieu et la longitude référence. Il est défini par l’expression suivante : 𝐻𝑇 = 𝐻𝑙 − 𝞓𝐻𝑙 + 𝞓𝐻𝑔 − 𝐸 en heur I-5 Où Hl est le temps local du lieu du panneau solaire, ΔHl le décalage de temps entre le temps donné dans la zone et le temps universel (UTC), ΔHg est le décalage de temps dû à la 7 variation de la longitude temps avec le temps de la zone. E est défini comme l’avancement de la moyenne de temps au-dessus du temps solaire. 

 Coordonnées horizontales

 Le repère horizontal est formé par le plan de l’horizon astronomique et le vertical du lieu. Dans ce repère, les coordonnées sont la hauteur h et l’azimut az. (Fig. I.3). a- Hauteur du soleil C’est l’angle formé par la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal. Il est particulièrement égal à : 0° au lever et au coucher astronomiques du soleil, 90° à midi temps solaire vrai sin(ℎ) = cos(𝛶) × cos(ψ) × cos(𝐻𝑇) + sin(ψ) × sin(Υ) I-6 𝛙 : latitude de lieu. b- Azimut du soleil C’est l’angle compris entre la projection de la direction du soleil sur le plan horizontal et la direction sud. sin(𝑎𝑧) = cos(𝛶)×sin(𝐻𝑇) cos(ℎ) I-7 Figure I. 3 : Repère horizontal 8 I.3 Nombre d’air masse Pour tenir compte de la position relative du soleil qui modifie l’épaisseur d’atmosphère traversée, on introduit le nombre d’air masse défini par 𝑚𝑎 = 𝑝 1013 × 1 sin(𝐵) × 𝑒𝑥𝑝 (− 𝑧 7,8 ) I-8 Avec : p (N.m-2 ) : pression, B (degré) : élévation du soleil sur l’horizon (90° au zénith), Z (Km) : altitude. Dans les conditions normales et au niveau de la mer, l’expression simplifiée suivante est utilisée : 𝑚𝑎 = (sin(𝐵)) −1 I-9 Ainsi lorsque le soleil est au zénith, on dit que l’on a les conditions AM1 car les rayons lumineux traversent une épaisseur d’atmosphère unité (7.8 Km). Avec un soleil à 30° sur l’horizon, on obtient les conditions AM2. Hors atmosphère, à haute altitude, on définit les conditions AM0 (figure I.3)

Généralités sur les cellules solaires à couches minces à base de Diseleniure de Cuivre d’Indium et de Galium (CIGS) 

On assiste ces dernières années à l’apparition sur le marché de modules photovoltaïques basés sur d’autres matériaux que le silicium : le Diséléniure de Cuivre et d’Indium, CuInSe2, noté CIS, et ses combinaisons avec du Gallium (CIGS) ou du Soufre, ainsi que le Tellurure de Cadmium, CdTe [7] Le développement de cellules solaires à base de CIGS a débuté dans les années 1970 [8]. Depuis, les rendements de conversion des dispositifs dépassent 20% en laboratoire et atteignent 13% à l’échelle industrielle. Bien qu’une cellule CIGS soit constituée d’au moins 6 matériaux différents, c’est principalement la compréhension et l’amélioration des propriétés du matériau absorbeur qui sont au cœur des progrès réalisés. 

Présentation d’une cellule solaire à base de CIGS 

Dans sa configuration la plus répandue une cellule solaire en couches minces avec comme absorbeur le CIGS est formée d’un empilement de plusieurs matériaux en couches minces déposés successivement sur un substrat. La figure I.5 présente la structure standard d’une cellule à base de CIGS. Le substrat : plaque de verre d’environ 3mm d’épaisseur, c’est un support permettant la tenue mécanique des différentes couches, et doit répondre à des critères comme sa rigidité, son coefficient de dilatation (qui doivent être proche de celui du CIGS), sa température maximale d’utilisation (qui doit être adaptée au procédé), il doit être inerte chimiquement et moins couteux, son état de surface doit être parfaitement lisse. Il existe trois catégories de substrat : le verre, les métaux, et les polymères Le contact métallique arrière : électrode de contact arrière, première couche déposée sur le substrat. Elle a pour rôle principal de collecter les charges générées dans la cellule. D’un point de vue électrique, elle constitue le pôle positif du générateur photovoltaïque. Cette couche est composée de molybdène (Mo) et son épaisseur est d’environ 300 nm à 1000 nm. Ce contact métallique doit être un bon conducteur électrique, ne pas réagir avec le CIGS ou y diffuser, résister aux températures élevées rencontrées lors du procédé de fabrication de la cellule solaire à base CIGS (de l’ordre de 550 à 600°C). La méthode de dépôt la plus utilisée pour le contact arrière est la pulvérisation cathodique. L’absorbeur : une couche située directement au-dessus du contact arrière et composée du matériau absorbeur, le CIGS. Il s’agit d’un semi-conducteur de type p qui forme la première partie de l’hétérojonction p-n. C’est aussi dans ce matériau que la majorité des photons est 10 absorbée pour former les paires électron-trou. Son épaisseur est d’environ 1,5 à 2,5 μm. Les méthodes de dépôt du CIGS sont variées, les plus communes étant la co-évaporation et le recuit de précurseurs métalliques en présence de vapeurs de sélénium. La couche de CdS : c’est un semi-conducteur de type n, d’environ 50 nm de sulfure de cadmium (CdS) que l’on dépose sur le substrat. Cette couche assure la formation de l’hétérojonction p-n et doit avoir un gap supérieur à celui de l’absorbeur. Le CdS a un rôle électrique, permettant d’optimiser l’alignement des bandes entre le CIGS et la couche fenêtre et de limiter les recombinaisons des porteurs à l’interface de ces deux couches, puis un rôle d’une couche protectrice de la surface de l’absorbeur lors du dépôt par pulvérisation cathodique de la couche de ZnO, qui peut engendrer la formation de défauts à la surface du CIGS. Actuellement, les meilleurs rendements sont obtenus en utilisant des couches tampon à base de sulfure de cadmium (CdS). Aussi, c’est le matériau le plus utilisé. Cependant, en raison de la toxicité du cadmium, d’importants efforts sont tournés vers le développement de couches tampon alternatives (Zn(O,S), (Zn,Mg)O, In2(S,Se)3, etc.) La méthode la plus courante de dépôt du CdS est le bain chimique (Chemical Bath Deposition, CBD). La couche fenêtre : La couche tampon est recouverte d’une couche fenêtre (Window Layer). Cette couche est composée d’un dépôt d’oxyde de zinc (ZnO) et d’un dépôt d’oxyde transparent conducteur (Transparent Conducting Oxide, TCO). La couche de ZnO est résistive et sert à limiter la formation de court-circuit dans les zones présentant un recouvrement imparfait du CIGS par la couche tampon [9]. Les TCO les plus utilisés sont le ZnO dopé aluminium (ZnO : Al) et l’oxyde d’indium et d’étain (Indium Tin Oxide, ITO) déposés par pulvérisation cathodique. Le TCO permet à la couche fenêtre de constituer en partie le contact avant de la cellule photovoltaïque tout en étant transparente au rayonnement solaire, ce dernier devant être absorbé dans la couche de CIGS. L’épaisseur de la couche fenêtre est de l’ordre de 300 nm à 500 nm. Le contact avant final est réalisé en ajoutant à l’empilement une grille qui collectera les charges générées par le dispositif. Cette grille est composée d’une couche de nickel et d’une couche d’aluminium. Le Ni sert de couche d’accroche et permet d’éviter l’oxydation de l’Al liée à la présence sous-jacente du TCO. Les grilles sont déposées en général par évaporation en utilisant un masque de dépôt.