Caractéristiques du module d’imagerie

Le module d’imagerie est constitué d’un diffuseur en opale, d’une roue à filtres pilotable et d’une caméra avec capteur CMOS. Les composants choisis doivent répondre à différents critères.

Pour la caméra, il est d’abord nécessaire que celle-ci réponde sur une plage spectrale correspondante aux longueurs d’onde de la jonction top et middle. Les capteurs Silicium, très répandus, remplissent ce critère. Cette limitation est à relativiser pour deux raisons: premièrement, la jonction bottom pour des cellules triple-jonctions GaInP/GaAs/Ge produit un excès de courant dans des conditions réalistes d’opération, raison pour laquelle nous nous concentrons sur la jonction top et middle. Et ensuite, la dispersion pour le type d’optiques considéré, est basse dans les hautes longueurs d’onde [53]. Ainsi, la distribution de lumière sur la jonction bottom est en théorie proche de celle de la jonction middle.

Ensuite, le temps de réponse de la caméra doit être suffisamment court, soit quelques dizaines de µs. En effet, la durée du pulse exploitable est de l’ordre de 1000 µs. Pendant ce pulse, l’intensité et le spectre de la lumière varient et il est donc nécessaire de travailler sur une plage courte du flash pour limiter ces variations. Enfin, le nombre de pixels et la qualité du signal sont des critères à prendre en compte, ainsi que la compatibilité de la caméra avec des dispositifs optiques traditionnels (filtre, objectif, etc...).

Nous avons choisi d’utiliser une caméra monochromatique avec capteur CMOS, de modèle Thorlabs DCC3240N, qui possède un temps d’intégration minimal de 10 µs. La réponse de la caméra en fonction de la longueur d’onde est représentée sur la figure 3.3. A titre comparatif, sont ajoutées les efficacités quantiques des sous-cellules d’une cellule triple-jonction lattice-matched mesurées au laboratoire. La caméra couvre bien les deux jonctions top et middle que nous cherchons à mesurer mais ne permet pas d’imager la jonction bottom. Comme nous le voyons, le capteur utilisé a une efficacité quantique supérieure à 10% pour les longueurs d’onde comprises entre 350 et 1000 nm, alors que la réponse de jonction middles’arrête à 900 nm et que celle de la jonction top commence autour de 350 nm.

Figure 3.3: Efficacité quantique de la caméra CMOS et des trois jonctions d’une cellule lattice-matched. La réponse de la caméra couvre bien les jonctions top et middle.

Couplée à un objectif dimensionné pour mesurer une surface de 1 cm² (taille de cellule maximale à mesurer), la caméra permet de capturer une surface de 12,8x10,2 mm² avec une résolution de 1024x1280 pixels (1 pixel = 10 µm²). Enfin, le signal pour chaque pixel est codé sur 8 bits, permettant de mesurer l’intensité de la lumière sur une plage de 256 valeurs. Le déclenchement de l’acquisition de la caméra au cours du flash se fait par un déclencheur externe délivrant un signal 0-5 V (trigger). Pour ce dispositif, nous utilisons deux cellules triple-jonctions placées face au miroir, et branchées en série sur l’entrée de la caméra. A l’allumage du flash, les deux cellules en circuit ouvert vont générer une tension totale d’environ 5 V, enclenchant la prise d’image par la caméra. L’ajout via le logiciel d’un délai supplémentaire pour le déclenchement permet de sélectionner la partie du flash sur laquelle se fait l’acquisition.

Les filtres sont sélectionnés de sorte à parcourir l’ensemble de la plage spectrale des jonctions top et middle, leur nombre étant limité à la capacité de la roue à filtres. La roue utilisée (modèle FW212C de chez Thorlabs) permet de loger douze filtres de 1,25 cm de diamètre. En conséquence, nous utilisons douze filtres de largeur spectrale 50 nm, caractérisée par la largeur à mi-hauteur de la transmission maximum FWHM, couvrant les longueurs d’onde de 375 à 975 nm. La transmission de ces filtres a été mesurée avec un spectrophotomètre (modèle: Perkin Elmer lambda 950). Les résultats de ces mesures sont visibles sur la figure 3.4. Se trouve également représenté à titre informatif, le spectre de la lampe Xénon utilisée dans le simulateur, équivalent au spectre de référence AM1.5D.

Figure 3.4: Transmittance des douze filtres passe-bande mesurées au spectrophotomètre sur la plage allant de 300 à 1100 nm. Le spectre de la lampe flash Xénon, équivalent au spectre solaire AM1.5D à 1000 W/m², est ajouté à titre indicatif.

Finalement un diffuseur en opale a été choisi, de par son aptitude à disperser la lumière de manière quasi-lambertienne. Ce critère est primordial compte-tenu des différents angles

d’incidence avec lesquels les rayons arrivent en sortie d’optique primaire. De plus, d’autres diffuseurs ont été testés, notamment du verre dépoli, mais la résolution de la caméra de 10 µ m²/pixel fait apparaitre un effet de grain sur l’image, diminuant grandement la qualité de la mesure sous éclairement. Il est possible que d’autres diffuseurs satisfassent les conditions requises, mais nous nous limiterons à l’utilisation de l’opale dans ce travail. La figure 3.5 montre la transmittance du diffuseur mesurée au spectrophotomètre.

Figure 3.5: Transmittance du diffuseur en opale mesurée au spectrophotomètre sur la plage 350-1800 nm.

Un logiciel d’acquisition a été spécifiquement développé sous LabView pour paramétrer et piloter la roue à filtres, le générateur de flash, la caméra et la mesure des températures de la pièce et de la lentille. Il permet par exemple de déclencher une série de douze flashs et d’obtenir en sortie une série de douze images, soit une par filtre. C’est à partir de ces douze images "brutes" que nous cherchons à obtenir l’irradiance spectrale pour chaque pixel. L’ensemble des éléments optiques, filtre, caméra et diffuseur, permettent bien de travailler sur la plage 370-950 nm. Un résumé des caractéristiques optiques et électriques est représenté sur la figure 3.6.