Caractérisation des cellules en double éclairement

Dispositifs de mesure :

Bien qu’une mesure en double éclairement ait été montrée succinctement au début des années 1980 [59], le premier dispositif de caractérisation en double éclairement décrit dans la littérature date de la fin des années 1990 [60]. On se demandait alors si oui ou non l’efficacité d’une cellule biface était améliorée lorsque celle-ci est soumise à un éclairement simultané et variable en face avant et face arrière pour des applications de concentration photovoltaïque. La cellule est positionnée entre deux miroirs en aluminium à angle droit l’un de l’autre, maintenue à température constante dans une chambre, et flashée avec un dispositif à lampe xénon pouvant produire un spectre AM1.5G de 0,1 à 10 soleil (voir Figure 1.11 à gauche - 1 soleil = 1000 W/m²). Pour une cellule de structure N+PP+ (avec un substrat de type P « Float zone » monocristallin – « Float zone », Fz, étant une méthode de tirage donnant un lingot de meilleur qualité mais plus cher comparé au Cz), éclairée simultanément des deux côtés par une irradiance x variant de 0,4 à 4,2 soleil, l’auteur montre en particulier que la densité de courant de court- circuit biface Jsc(x,x) est en moyenne sur toute cette plage 0,4% plus élevée (jusqu’à +1,1%) que la

somme du courant face avant seule Jsc(x,0) et face arrière seule Jsc(0,x). Les erreurs de mesure étant

évaluées à ±3%, il en conclut :

35

Cette relation n’est pas valable pour les puissances maximales et rendements dans la mesure où ces paramètres sont affectés par des pertes résistives série à mesure que le courant généré augmente. Pour finir, l’auteur mentionne que le courant d’obscurité de la diode I0 peut être considéré comme égal quel

que soit le mode d’éclairement (face avant seule, face arrière seule ou double éclairement).

Par la suite un dispositif similaire a été utilisé (voir Figure 1.11 à droite), avec le rajout de filtres permettant d’atténuer plus ou moins le rayonnement sur la face arrière pour simuler des conditions d’éclairement plus proches de la réalité [61]. Une cellule de référence calibrée est positionnée dans le plan de la cellule biface de façon à assurer une irradiance d’1 soleil sur sa face avant. Pour une cellule de structure P+NN+, l’auteur confirme l’équation (1.14) avec un courant de court-circuit biface plus faible que la somme des deux faces cette fois ci (-1,8% en moyenne) mais toujours inférieur aux incertitudes de mesure. Il va plus loin en quantifiant les pertes résistives dans le cas x = 1 : la puissance maximale biface Pm(1,1) est 16,3% plus faible que la somme des puissances face avant seule Pm(1,0) et

face arrière seule Pm(0,1).

Depuis, le même dispositif est utilisé à l’ISC Konstanz et ses performances ont été comparées à celles d’un simulateur solaire conventionnel pour cellules [62]. Avec l’utilisation de miroirs en aluminium à 45° de la cellule, le système développé est de classe A au niveau spectral (différence de spectre comparé au spectre AM1.5G inférieure à ±25% par bande de 100 nm entre 400 et 1100 nm [63]), et de classe B au niveau uniformité d’éclairement (non-uniformité de 7% alors qu’elle doit être inférieure à 2% pour une classe A – voir équation (1.21) à la section 1.3.2.1 pour la définition de la non-uniformité). Citons aussi dans le même institut de recherche l’utilisation d’un dispositif de double éclairement à deux sources lumineuses : 1 soleil sur la face avant, et 25% - 30% d’1 soleil sur la face arrière [64]. Cependant l’utilisation d’un tel dispositif semble plus complexe.

Figure 1.11 – Premiers dispositifs de double éclairement pour cellule (reproductions issues de [60] à gauche et de [61] à droite).

36

Méthodologie de calcul :

Plus récemment, une nouvelle méthode de calcul des performances d’une cellule biface dans des conditions réalistes de double éclairement a été proposée par Singh [45]. La méthode est basée sur une mesure STC des deux faces de la cellule indépendamment. En supposant que le courant de court-circuit biface est la somme des courants face avant Isc-fav et face arrière Isc-far (équation (1.14)), l’auteur défini

le rendement biface ηbi pour une irradiance simultanée d’1 soleil sur la face avant et de x soleil sur la

face arrière (x appartenant à l’intervalle [0 ; 1]) comme suit :

𝜼𝒃𝒊(𝒙) = 𝜼𝒇𝒂𝒗· ( 𝟏 + 𝒙 ·𝑰_𝑰𝒔𝒄−𝒇𝒂𝒓 𝒔𝒄−𝒇𝒂𝒗 𝟏 + 𝒙 ) · (𝑽𝒐𝒄−𝒃𝒊 𝑽_{𝒐𝒄−𝒇𝒂𝒗}) · ( 𝑭𝑭_𝒃𝒊 𝑭𝑭_𝒇𝒂𝒗) (1.15)

Dans cette équation, seuls la tension de circuit ouvert biface Voc-bi et le « fill factor » biface FFbi sont

inconnus mais calculables moyennant certaines hypothèses réalistes. Il est supposé que Voc-bi suit la

même tendance logarithmique que la tension de circuit ouvert face avant Voc-fav, avec le même courant

d’obscurité de diode (voir équations (1.4), (1.5), et conclusion d’Ohtsuka [60]). FFbi est évalué par

l’intermédiaire du « pseudo fill factor » pFF (mesurable ou calculable) qui est supposé égal dans le cas biface et face avant seule.

Le rendement biface calculé permet d’optimiser les paramètres des cellules bifaces dans des conditions plus proches de la réalité que les conditions STC. L’auteur conclut par exemple que les paramètres les plus influents à augmenter en priorité sont le FF et le ratio biface r. Notons que ce rendement n’est pas comparable tel quel à un rendement de cellule monoface puisqu’il prend en compte la puissance optique incidente des deux côtés. L’auteur définit donc un second paramètre, le GEP (« gain-efficiency product ») qui est le produit (1+x)·ηbi(x).

Nous pouvons conclure de ces études que le modèle électrique à une diode d’une cellule biface peut être simplement l’ajout d’une deuxième source de courant en parallèle de la première, ce qui correspond à la photo-génération par l’éclairement face arrière. Par conséquent, suivant le niveau d’irradiance de la face arrière le courant circulant dans un module biface peut être bien plus élevé que pour un module monoface (nous verrons de quel ordre de grandeur à la section 1.3). Les pertes résistives associées risquent donc d’être plus importantes que prévues si le design de la cellule et du module continue à se faire pour des conditions STC comme c’est le cas actuellement.

37