Tellure de cadmium polycrystalline(CdTe)

Un matériau polycrystalline dans son ensemble n’est pas un monocristal, mais composé de nombreux petits cristaux orientés dans des différentes directions au hasard. Ces petits cristaux sont appelés « grains ». Les grains ont des formes irrégulières et des orientations qui sont montrées à la Fig. 1.3. Le matériau polycrystallin comporte des joints de grain. Les atomes aux joints du grain n’ont pas de «liaisons normales » à cau se des changements brusques de l’orientation du cristal à ces frontières. Par conséquent, il y a là des lacunes, des liaisons étirées et coupées. De plus, s’il y a des atomes dans les limites du grain, ils ne peuvent pas « suivre » le modèle cristallin existant aux deux côtés. Dans beaucoup de matériau polycrystalline, les impuretés ont tendance à se rassembler dans la région de la limitedu grain. L’arrangement atomique dans la région de la limite du grain est considéré comme désordre.
Le CdTe polycrystalline convient bien comme couche active dans les cellules à couches minces. Sa bande interdite est de 1,45eV. Ce qui va bien avec le spectre de la radiation solaire. La bande interdite est « directe », ce qui entraine une forte absorption. Son affinité électronique est de 4,2 à 4,5 eV avec une densité d’états effective de 7,9×10 17 cm -3 dans la bande de conduction et de 1,3×10 19 cm -3 dans la bande de valence. La constante diélectrique relative ε r est de 10,36. A cause du coefficient d’absorption optique élevé (plus élevé que pour le Siamorphe, et beaucoup plus élevé que pour le silicium cristallin), quelques µm de CdTe s’avérent suffisante pour absorber toute la lumière incidente. En conséquence une longueur de diffusion du porteur minoritaire de l’ordre de 1 µm est suffisante pour permettre à tous les porteurs générés d’être collectés aux contacts: ce qui réduit les exigencesen matière dequantité du matériau.
Le CdTe possède de structure wurtzite, comme le GaAs. Le problème est le nombre important de défauts, comme les excès en atomes de Te aux limites des grains, résultant en des états « profonds » dans la bande interdite. Le tellure du cadmium est le seul composé CdTe stable dans le diagramme de phase de Cd-Te et il fond convenablement. Cette propriété permet de faire une déposition facile du CdTe. Mais le dopage précis de ce composé binaire est difficile comme pour les composés ternaires et quaternaires tel que Cu(ln,Ga)Se2 et pour les matières amorphes à cause des défauts intrinsèques. La croissance d’une couche mince du type p à forte stœchiométrie de CdTe est la plus favorable, et l’on en obtenir une jonction hétérogène p-n avec CdS (la bande interdite de CdS est de 2,4 eV, les techniques de dépositions classiques donnent un matériau de type n, fortement dopé).En plus, le CdTe du type p forme un bon contact ohmique pour CdTe/metal. Mais un dopage fort réduit la durée de vie du porteur minoritaire. C’est pourquoi on limite le dopage à une dose de 1 à 2×10 14 cm -3 .1.2.3 CuIn 1-x Gax Se2 Polycrystalline(CIGS).
La diselenure de cuivre et d’indium (CuInSe2 ou CIS) est semiconducteur à bande interdite directe d’environ 1eV. L’addition de Ga améliore les caractéristiques photovoltaïques en augmentant la bande interdite aussi bien que les propriétés électroniques du contact inférieur. La bande interdite nominale du CIGS est de 1,2 eV pour x = 0,3. Ce qui est convenable pour l’absorption des radiations solaires. La structure du composé est celle de la chalcopyrite. La durée de vie du porteur est de l’ordre de la nanoseconde.

Structure de la cellule solaire

La structure d’un dispositif photovoltaïque dépend des propriétés des matériaux utilisées dans la cellule PV. On peut utiliser aussi bien une jonction homogène qu’une jonction hétérogène.
Cellule solaire à jonction homogène- Dans sa forme la plus simple, la cellule solaire consiste en une jonction formée entre les semiconducteurs de type n et de type p du même matériau. Le silicium cristallin est l’exemple le plus courant de ce genre de cellule. Quand un photon d’énergie plus grande que la bande interdite du semiconducteur, passe à travers la cellule solaire, il peut être absorbé. Cette absorption prend la forme d’une transition d’une bande électronique à une autre, produisant une paire (e — trou). Si la génération s’est produite dans la z.c.e., les paires sont séparées par le champ électrique interne, causant la circulation de charges dans une charge externe. C’est l’origine du photocourant de la cellule solaire(Fig.1.4).

Structure d’une cellule en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H)

En général, on utilise une structure p-i-n dans les cellules en couches minces de silicium amorphe. La structure de base est comme suit: trois couches successives sont créées, avec une couche intrinsèque entre une couche de type n et une couche de type p. Cette structure établit un champ électrique entre les régions de type p et de type n qui s’intensifient à travers la région intrinsèque centrale. La lumière produit des électrons libres et des trous dans la région intrinsèque, qui sont séparés alors par le champ électrique.
Dans la cellule de silicium amorphe p-i-n, la couche supérieur est de type p, la couche centrale est intrinsèque, et la couche inférieure est de type n. Le silicium amorphe fortement conducteur présente beaucoup de défauts électriques au niveau atomique. Ainsi, un courant de faible intensité serait obtenu si on ne considérait que le phénomène de diffusion. Mais dans la cellule p-i-n, les électrons et les trous sont générés dans la région où règne un champ électrique presque uniforme. Ce qui produit directement un courant électrique. La figure1.6 montre le diagramme de bande de la structure d’une cellule solaire à structure p-i-n où V bi est la barrière de potentiel et V est la tension externe appliquée.

Structure de cellule solaire CdTe

Les cellules solaires basé sur le CdTe ont une structure stratifié de verre/SnO2/CdS/ CdTe/metal [22],[23] comme représentée dans la Fig. 1.7. Ce sont des cellules à jonction hétérogène p-n avec une couche très mince (~0,1µm) de CdS du type n fortement dopées et une couche de CdTe de type p légèrement dopé qui sert de couche d’absorption. L’épaisseur de la couche p est de quelque micromètre. Les photons incidents sont absorbés principalement dans la couche p et les photo porteurs sont collectés par le champ électrique interne dans cette couche.

Structure de cellule solaire CIGS

Les cellules solaires CIGS ont la structure grille/ZnO/CdS/CIGS/Mo/verre (Fig. 1.8) [22], [23]. Ce sont des cellules à jonction p-n hétérogène où une couche très mince de CdS (~0,1 µm) fortement dopée forme la région n, et la couche polycrystalline CIGS épaisse de quelques µm forme la couche absorbante du type p, légèrement dopée. Les photons incidents sont absorbés principalement dans la couche p et les porteurs sont collectés par le champ électrique interne qui règne dans cette zone. La couche d’absorption CIGS est complètement dépeuplée et le champ électrique interne F est presque uniforme à travers la couche d’absorption à cause de son léger dopage. Les cellules CIGS sont en général préparées sur un substrat de verre couvert d’une couche de Mo qui sert de contact ohmique.

Limitations de modèles antérieurs

Hegedus et al. ont examiné quelques modèles théoriques pour décrire les caractéristiques J-Vdes cellules solaires à couches minces [25]. Ils ont montré que le modèle le plus précis donne l’expression de l’efficacité de collection de l’Eq. (1.8) dans la couche d’absorption quasi-intrinsèque [25]. Cependant, le modèle précédent a utilisé l’hypothèse non réaliste que tous les porteurs sont générés à l’interface de la couche d’absorption supérieure pour tous les photons incidents. Ce modèle a aussi utilisé plusieurs paramètres d’ajustagetels que photocourant maximal avec collection de charge complète, courant de saturation inverse, coefficient d’atténuation efficace, résistance série et distance moyenne parcourue par le porteur. Par conséquent, un modèle avec des paramètres physiques qu’on peut obtenir est nécessaire.

MODELISATION DE PHOTOCOURANT

Introduction

Une recherche théorique et expérimentale a été développée pour améliorer la performance des cellules solaires à couches minces. Hegedus et al. ont étudié quelques modèles théoriques pour décrire les caractéristiques courant-tension (J-V) dans les cellules solaires à couches minces [25].
(1) Ils ont montré que le modèle utilisant la vitesse drift et l’expression du rendement développé par Hecht dans la couche intrinsèque est le plus précis.
(2) Ensuite, l’hypothèse utilisée dans l’ancien modèle qui suppose que tous les photoélectrons sont générés à la partie supérieure de la couche d’absorption est en fait non réaliste.
(3) Des paramètres d’ajustement tels que le photocourant maximal correspondant à une collection totale de charge, le courant de saturation inverse, le coefficient d’affaiblissement effectif, les résistances et la durée de vie de porteurs ont été utilisés. (4) Dans ce travail, on résout l’équation de la continuité avec l’hypothèse d’une absorption de forme exponentielle des photons dans la couche active (donc une génération exponentielle de paires(e –trou)). Le résultat est une expression analytique de la tension externe V, fonction du photocourant, si on suppose un champ électrique constant à travers la couche active. Puis le courant délivré à la charge par la cellule est calculé en tenant compte du courant à l’obscurité (sens direct) qui est une fonction de la tension et du spectre solaire. Les seuls paramètres d’ajustement utilisés sont les longueurs de diffusion des porteurs et les résistances séries. (5) Ensuite, on va étudier la caractéristique J-V et le rendement des cellules en CdTe en fonction des paramètres physiques des porteurs (tels que la mobilité, la durée de vie) et des conditions de fonctionnement. Puis les résultats obtenus sont comparés avec des données expérimentales. Ce qui permet d’obtenir les paramètres physiques des porteurs, les pertes par réflexion et par diffusion dans les différentes cellules.

Rendement des cellules photovoltaïques

L’Eq. (2.10) représente la caractéristique courant-tension J-V du dispositif. Elle permet d’évaluer la puissance délivrée. On peut déterminer le facteur de remplissage et le rendement de la cellule à partir de la couche J(V).

Résumé

Dans ce chapitre, un modèle simplifié est proposé pour déterminer les caractéristiques d’une cellule solaire à couche mince en considérant le spectre réel des radiations solaires. Le modèle utilise les longueurs de diffusion des porteurs et les résistances en série comme paramètres d’ajustement, qui éliminent ainsi d’autres paramètres comme le courant de saturation et le coefficient d’affaiblissement. Les mobilités et durée de vie des porteurs, le coefficient de réflexion et les pertes peuvent être évalués en ajustant le modèle sur les données expérimentales publiées.

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS

Introduction

Pour vérifier le modèle proposé, les Eq. (2.7) à (2.13) sont résolus par itération, pour trouver les caractéristiques J-V des cellules en couches minces, avec les paramètres de transport des conditions de fonctionnement qu’on fait varier. Les résultats obtenus sont comparées aux résultats expérimentaux. Puis le rendement des cellules sous diverses conditions sont calculées.

Les cellules solaires en CdTe

Les coefficients d’absorption pour les CdTe et les CdS sont obtenus à partir des courbes d’absorption données dans la Réf. [36], reproduites à la Fig. 3.1.

Dégradation des paramètres des couches CdTe et CdS

La performance des cellules en CdTe peut se dégrader avec le temps, et l’ampleur de la dégradation dépend de la couche d’absorption des radiations et du matériau utilisépour la collection des porteurs. Ceci a été observé durant les études sur la durée de vie des cellules pour des conditions sévères [41], [42], [43]. On a pu constater que cette dégradation est due à une augmentation des recombinaisons des porteurs, de la résistance des contacts et de la barrière entre contact et semiconducteur [44]. Par exemple, on a utilisé le cuivre comme contact à forte conductivité et bon marché, avec le CdTe facile à déposer, pour montrer cette dégradation [45], [46].
La Fig. 3.7 montre les caractéristiques d’une cellule CdTe cellule solaire avec un contact inférieure à 2 couches (15 nm Cu/50 nm Ni) avant et après les pertes dans des conditions sévères (85°C dans l’air sec, irradiation 100%, circuit ouvert pendant 15 jours).
L’épaisseur de la couche CdTe est de 7µm.

Cellules solaires CIGS

La cellule solaire CIGS est composée de verre/Mo/Cu(InGa)Se2/CdS/ZnO/grille du contact. Les couches Cu(InGa)Se2 sont déposées par évaporation par élément et leurs bandes interdites peuvent être variées de 1,0 à 1,7 eV en variant le rapport Ga/(In+Ga). Le modèle présenté précédemment sera vérifié avec les cellules solaires GIGS. Le coefficient d’absorption pour CIGS est obtenu par les courbes d’absorption dans la Réf. [47]. Sa valeur en fonction de la longueur d’onde du photon est donnée à la Fig. 3.8.

Cellules solaires en Si amorphe

Le modèle peut aussi être appliqué pour les cellules solaires a-Si:H p-i-n. Le coefficient d’absorption pour le silicium amorphe est obtenu par les courbes d’absorption dans la Réf. [16] qui est combiné avec la Fig. 3.8. La Fig. 3.10 représente la courbe J-V d’une cellule solaire a-Si en pleine intensité du rayonnement solaire. Les symboles représentent les données expérimentales et les lignes continues représentent les courbes approchant les données expérimentales.

CONCLUSION

La courbe caractéristique J-V est un paramètre important pour estimer la performance d’une cellule solaire à partir duquel le rendement, le facteur de remplissage, et la puissance maximale externe peuvent être déterminés. Un modèle est proposé pour décrire la caractéristique J-V d’une cellule solaire à couches minces. La modélisation d’un dispositif devra être simple et exact. L’équation de la continuité est résolue pour les électrons et pour les trous dans la couche d’absorption intrinsèque en CdTe en utilisant une fonction exponentielle pour l’absorption desphotons, ainsi qu’une formeexponentielle pour la génération des paires (e –trou) dans la couche CdTe, et pour le piégeage des porteurs et le drift des porteurs dans la couche quasi-intrinsèque d’absorption. Une expression analytique du photocourant qui est fonction de la tension externe. Le courant de charge est calculé en considérant les effets du courant d’obscurité (dans le sens direct) variable avec la tension et le spectre solaire réel. Les paramètres d’adaptation utilisés sont les longueurs de diffusion de porteurs et la résistance ensérie.
Le courant de recombinaison dans la zone de charge d’espace est beaucoup plus intense que le courant de la diode idéal pour les cellules en CdTe. Le rendement de la cellule solaire est fonction des propriétés dynamiques des porteurs se déplaçant par effet des champs vers le contact inférieur (back contact). La capacité d’absorption des photons sur une bande assez large du spectre, ainsi que les propriétés dynamiques des porteurs dans la couche d’absorption sont aussi des paramètres à ne pas négliger pour obtenir un rendementrespectable de la cellule solaire.
Enfin, il a été démontré que la fenêtre supérieure de la cellule a une influence sur le rendement. Le modèle analytique (développé et vérifié sur les cellules CdTe) est en accord avec les données expérimentales publiées pour de différentes types de cellules à couches minces : cellules solaires polycrystalline CuIn1-x Gax Se (CIGS) et Si amorphe hydrogéné (a- Si:H). En plus, le modèle analytique a permis l’évaluation de la réflexion et d’autrespertes pour les cellules enCdTe.
Un travail de recherche à effectuer pour confirmer le modèle analytique proposé est de développer un modèle numérique qui tient compte des effets de la zone de charge d’espace.
Le modèle a été développé avec une cellule à CdS / CdTe, puis vérifié avec les cellules CIGS et a-Si:H.
On peut penser à d’autres nouveaux matériaux et de nouvelles structures et faire la simulation en utilisant le modèle. Ceci augmentera la population de la 2 ème génération.

Table des matières

REMERCIEMENTS
RESUME
TABLE DES MATIERES 
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES ET ABREVIATIONS 
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 THÉORIE DE BASE
1.1 Radiation solaire
1.2 Propriétés des matériaux des cellules solaires
1.2.1 Silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H)
1.2.2 Tellure de cadmium polycrystalline(CdTe)
1.2.3 CuIn
1-x Gax Se2 Polycrystalline(CIGS)
1.3 Structure de la cellule solaire
1.3.1 Structure d’une cellule en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H)
1.3.2 Structure de cellule solaire CdTe
1.3.3 Structure de cellule solaire CIGS
1.4 Modèles Actuels pour les Caractéristiques J-V des Cellules Solaires à Couches Minces
1.5 Limitations de modèles antérieurs
CHAPITRE 2 MODELISATION DE PHOTOCOURANT 
2.1 Introduction
2.2 Modèle analytique
2.2.1 Équation de continuité du Système
2.2.2 Concentration du porteur à l’état stable
2.2.3 Photocourant
2.2.4 Courant directe de la Diode
2.2.5 Terme décrivant la diffusion dans l’équation de la continuité
2.2.6 Les cellules photovoltaïques
2.3 Résumé
CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
3.1 Introduction
3.2 Les cellules solaires en CdTe
3.2.1 Effet d’une couche de la fenêtre de CdS sur les caractéristiques courant-tension J-V
3.2.2 Dégradation des paramètres des couches CdTe et CdS
3.3 Cellules solairesCIGS
3.4 Cellules solaires en Si amorphe
3.5 Résumé
CONCLUSION
ANNEXE 1 : RENDEMENT DE LA CELLULE SOLAIRE
ANNEXE 2 : GENERATIONS DES CELLULES SOLAIRES
REFERENCES