Électroluminescence et caractéristique IV sous éclairement (LIV)

La question de l’impact d’un défaut en EL sur les performances de la cellule s’est posée concrète-ment à l’issue des études de fiabilité des assemblages SMI. Les clichés d’EL avant et après 500 cycles thermiques avaient révélé l’apparition de défauts présentés sur la figure IV.24. Les clichés EL ayant été réalisés sur le site de production, seule la jonction top est visible.

Les 6 assemblages de la figure IV.24 sont issus d’une série de prototypes et présentent des taux de voids très élevés, compris entre 17% et 22%. Les assemblages 1 à 3 ont été placés en cycle ther-mique selon le protocole utilisé pour les assemblages de la figure III.5. Rappelons que ce protocole sous-estime la température des cellules et n’est pas conforme à la norme IEC 62108. La contrainte thermique subie par la cellule est donc très importante et ne reflète pas celle vue en conditions réelles nominales.

La relaxation d’une telle contrainte par la cellule crée des fissures clairement identifiables en EL sur l’assemblage 3. L’assemblage 2 semble quant à lui être un cas extrême de ce phénomène où une tâche claire diffuse s’est développée autour des fissures. Une analyse sur le banc EL montre une com-posante shunt très importante de ces défauts, caractérisés par une tâche sombre dans la jonction mid, à la verticalité de la tâche claire de la jonction top. Il en est de même pour les assemblages 1 et 3. Les assemblages 4 à 6 servent de référence car ils n’ont subi aucune altération et ne présentent pas de défauts en EL.

Les courbes LIV de ces 6 assemblages ont été réalisées sur le cell-sorter de l’IES après vieillisse-ment, sous une irradiance de 71W/cm2, un spectre solaire normatif AM1.5D et une température contrô-lée de 25˚C. De façon assez surprenante, aucun des assemblages vieillis ne se dégage clairement de la moyenne des résultats. L’assemblage 2, qui présente la dégradation la plus marquée en EL, possède néanmoins les moins bonnes performances avec 2,1% d’écart par rapport à la moyenne en puissance maximum (P_MP) et en rendement (Eff.), un facteur de forme (FF) de 83,4% contre 83,7% pour l’assem-blage 6 non-vieilli, une VOC0,9% inférieure à la moyenne et un ISCdans la moyenne. L’assemblage 3,

FIGUREIV.24 – Mesures LIV de 6 assemblages SMI. Assemblages 1 à 3 vieillis en cycle thermique. Assemblages 4 à 6 non vieillis. Les assemblages avec défaut en EL ne présentent pas de performances dégradées.

qui présente un défaut en EL moins important est quant à lui le meilleur assemblage du lot. Il apparait donc que ce type de défaut, malgré sa taille importante, ne soit pas néfaste pour la cellule en termes de performances sous le cell-sorter de l’IES. Il pourrait en être autrement en extérieur, notamment de par l’effet thermique du flux solaire concentré. La petite taille de la population étudiée et la nature unique du défaut ne permet pas de généraliser cette conclusion. Une étude à plus grande échelle est nécessaire pour confirmer ce résultat.

Au cours des travaux de thèse, plus de 240 assemblages SMI ont été caractérisés en électrolumi-nescence (EL) et mesurés sous le cell-sorter de l’IES. Sur la figure IV.25, 244 assemblages SMI ont été classés par type de défaut observé en EL. Un nouveau défaut apparait ici par rapport à la liste du pa-ragraphe IV.1.1. ce défaut est dit✓d’électroluminescence faible✔. Sur la population étudiée, certaines cellules présentaient un signal d’EL relativement faible par rapport aux autres pour le même courant injecté (500 mA).

La classification des cellules n’est pas faite automatiquement mais réalisée après l’analyse, parfois subjective, des images par l’auteur de ce manuscrit. Lorsqu’une cellule présente plusieurs défauts, son classement dans l’une ou l’autre catégorie se fait en fonction du défaut prédominant en terme de taille. Parmi ces 244 assemblages, 44% sont exempts de défauts en EL. Avec en moyenne une VOC de 3.18V, un I_SC de 9,98A, une P_MPde 26,7W et un FF de 84%, cet échantillon de la population rend compte de la dispersion des performances des cellules étudiées. Les cellules présentant des défauts de

type dislocation, fissure, métallisation, particule, surface piquée et rayure possèdent des performances dans la gamme des cellules sans défaut.

Les défauts de type shunt semblent impacter principalement le facteur de forme des cellules avec comme conséquence les puissances les plus faibles de la population. Les cellules présentant un dégradé dans leur émission EL possèdent un I_SCmoyen plus faible que le reste de la population. Ceci est cohé-rent avec la forte composante shunt de ce type de défaut, diminuant la résistance shunt de la cellule et par là même le courant de court-circuit. Enfin, les défauts de type EL faible présentent les VOCles plus basses ainsi qu’un I_SCtrès peu dispersé autour de 9,77A. La relation entre l’intensité d’émission en EL et la VOCa déjà été mise en évidence dans la littérature [173, 184].

FIGURE IV.25 – Performances des cellules sous 71W/cm2 - AM1.5D - 25˚C en fonction du type de défaut en EL. Le nombre entre parenthèses correspond au nombre de cellules possédant ce défaut sur un total de 244 cellules.

Afin de confirmer cette relation entre intensité d’émission EL et performances sous éclairement, 34 assemblages SMI, pris au hasard parmi 60, ont été analysés sur le banc EL-CMJ ainsi que sous le cell-sorter de l’IES. L’irradiance considérée est de 71W/cm2 au niveau de la cellule. Les clichés d’EL ont été faits sous un courant de 500mA. En utilisant la partie logicielle de l’EEL, nous avons moyenné les intensités d’émission EL sur la surface des cellules (aucun filtre n’est présent, toutes les jonctions sont prises en compte). Cette intensité moyenne a été confrontée aux mesures LIV de ces mêmes assem-blages. Les images EL sont codées en nuances de gris sur 8 bits. L’intensité moyenne, qui correspond

à la moyenne des valeurs de chaque pixel de l’image, est donc comprise entre 0 et 255. Les résultats sont présentés sur la figure IV.26.

La médiane de la V_OCpour la population considérée est située à 3,18V. Les assemblages avec l’in-tensité moyenne la plus faible se situent à des valeurs de tensions inférieures à la médiane. Mais aucune tendance claire n’a été mise en évidence et il n’est pas possible de dire que l’intensité d’émission EL diminue avec la VOC. Cette constatation est également valable pour le facteur de forme (FF) et le rende-ment (Eff.) des cellules qui ne peuvent pas être classées en fonction de l’intensité moyenne d’émission. Bien que les assemblages avec le plus grand I_SCprésentent une intensité moyenne d’émission plus éle-vée, cette corrélation n’est que partielle.

Ces résultats montrent que nous n’avons pas réussi à reproduire les observations de la littérature. Ceci peut s’expliquer de plusieurs façons. Premièrement, parmi la population étudiée, des assemblages présentaient des défauts en électroluminescence. Ces défauts font grandement varier l’intensité d’émis-sion moyennée sur la cellule. Deuxièmement, dans les articles traitant des corrélations entre EL et performances sous éclairement, les mesures d’électroluminescence se font : soit à des niveaux de cou-rant injecté proches des coucou-rants de courts-circuits mesurés sous éclairement, soit par la mesure de l’intensité de chacune des jonctions, y compris la jonction bot. Dans notre cas, aucun de ces critères n’était atteignable. Ainsi, en l’état, la mesure absolue d’intensité d’émission EL par le banc EL-CMJ n’est pas possible. En revanche il est parfaitement opérationnel pour des études relatives, comme le suivi de défauts EL avant et après vieillissement.

FIGURE IV.26 – Intensité moyenne d’émission EL sur la surface des cellules d’assemblages SMI en fonction des performances en LIV. Aucune tendance claire ne se dégage.

A travers les résultats présentés dans ce paragraphe, nous voyons que la corrélation entre les per-formances des cellules et leurs aspects en électroluminescence est difficile. Parfois, des assemblages avec des défauts très sévères, avec une forte composante shunt, auront des performances en dessous de la moyenne. Dans la majeure partie des cas les artefacts EL ne perturbent pas le fonctionnement de la cellule lorsque mesurée sous le cell-sorter de l’IES. Il se peut que ces défauts aient des conséquences lorsque les assemblages sont exposés sous flux solaire concentré.

Si ces défauts ne causent pas forcément une perte de performance, qu’en est-il de leur impact sur la durée de vie des cellules ? Nous allons apporter des réponses à cette problématique par les différents essais de vieillissement accéléré présentés dans la suite de ce chapitre. Si des cellules avec des défauts en EL entraient en défaillance plus rapidement que des cellules saines, il serait fondé de les écarter d’un lot de production.