Chapitre 2 : Méthodo ogies expérimenta es et théoriques
2.1. Approches expérimenta es
2.1.2. Techniques de caractérisations
2.1.2.3. Caractérisation de matériaux et composants pour e photovo taïque 41
Concernant la caractérisation des matériaux semi-conducteurs pour application
PV, la première analyse que nous effectuons consiste à vérifier la nature du type de
semi-conducteur synthétisé. Pour cela, un testeur laser est appliqué à la surface du
dispositif PV, ce qui génère des porteurs en excès à la surface du matériau et modifie
la polarité de la barrière de surface. En fonction du changement de polarité, le type de
semi-conducteur est déterminé visuellement par une diode sur le testeur.
La seconde étape consiste à mesurer la résistivité de l’échantillon. Le procédé
utilisé à l’ISCR est la méthode des quatre pointes
20. Quatre pointes sont alignées de
façon équidistante, d’une distance s, petite par rapport à la taille de la surface de
l’échantillon. Un courant I est injecté entre les deux pointes les plus éloignées et la
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différence de potentiel V est mesurée entre les deux pointes centrales. Le rapport de
V/I est lié à la résistivité en fonction des dimensions et l’épaisseur de l’échantillon. Il
faut multiplier ce rapport par un coefficient correcteur fonction de la taille de
l’échantillon
21. Si celui-ci est une couche mince avec une épaisseur inférieure à 1 m,
la méthode des quatre pointes peut être faussée par la pénétration des pointes. En
effet si les pointes pénètrent dans le substrat, l’erreur sur la mesure sera
non-négligeable
22. Dans notre cas, pour une cible (épaisseur supérieure à 1 mm), la
résistivité peut être mesurée. Toutefois nos échantillons auront des résistances
généralement très élevées, nous sommes en limite de mesure par cette méthode.
Nous mesurons ensuite les propriétés électroniques, en définissant les
caractéristiques courant/tension dans le dispositif PV. Pour cela, une tension est
appliquée sur la cellule et le courant sortant est déterminé. Ceci peut être réalisé en
appliquant une tension électrique V sur deux électrodes d’une cellule en mesurant la
densité de courant J lors de l’illumination du dispositif. À partir de cette courbe,
plusieurs grandeurs physiques peuvent être extraites : le potentiel de circuit ouvert
(V
OC) qui est la valeur de la différence de potentiel entre les deux électrodes à une
valeur de courant nulle, le photo-courant de court-circuit (J
SC) qui est la valeur de
l’intensité maximale débitée par le circuit quand la tension est nulle, la puissance
maximale P
MAX délivrée par la cellule (puissance à laquelle sont associées une tensionV
M et une intensitéI
M), et le facteur de formeFF défini par le rapport :
𝐹𝐹 = 𝐽 𝑉
𝐽 𝑉 =
𝑃
𝑃 (2 - 4)
Ce facteur de forme traduit l’écart avec une cellule idéale, de puissance
maximale produite P
th. À partir deP
S, la puissance de l’excitation lumineuse incidente,
nous pouvons déduire le rendement du dispositif PV :
𝜂 = 𝐽 𝑉 𝐹𝐹
𝑃 (2 - 5)
Il existe d’autres facteurs qui peuvent modifier ce rendement, tels que la valeur
de la bande interdite des matériaux composant la cellule, l’intensité de la lumière
incidente ainsi que, par exemple, la température à laquelle la mesure est réalisée.
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Pour pallier ces incertitudes liées aux différentes grandeurs et pour pouvoir comparer
les performances de différents laboratoires, les conditions de mesures sont
normalisées. Dans des conditions « d’obscurité », en considérant J
0 la densité decourant saturé, n le facteur d’idéalité (n=1 pour une diode idéale), k la constante de
Boltzmann, q la charge élémentaire et T la température, une cellule solaire idéale se
comporte comme une diode et la grandeur J(V) s’exprime telle que :
𝐽 = 𝐽 𝑒 − 1 (2 - 6)
Lors des mesures « sous illumination », la courbe J(V) se décale vers des valeurs de
J
SC négatives, à cause du photo-courant généré́ par la cellule solaire elle-même23(Figure 2 - 12).
Figure 2 - 12 : Représentation schématique des courbes J-V sous conditions d’obscurité et d’illumination. Le rectangle rouge est la puissance de sortie maximum (Pmax) de la cellule et le bleu symbolise la puissance de sortie maximum
produite par une cellule idéale (Pth). Le rapport des deux surfaces rectangulaires donne le facteur de forme (FF).