Cellules solaires triple-jonctions

Les cellules solaires triple jonctions (CSTJ) sont constituées par trois photodiodes semiconductrices de différentes bandes interdites, ses dernières sont séparées par des jonctions tunnels. L’épitaxie de ces matériaux consiste à déposer le matériau à grande bande interdite Eg en surface, et le matériau à faible Eg au bas de la cellule, tandis que le matériau à Eg intermédiaire au milieu : (InGaP pour la cellule du haut, InGaAs au milieu et Ge pour la

cellule du bas [36]). Cette architecture permet de réduire les pertes thermiques dus à

l’absorption de fréquences très supérieures à Eg. Les jonctions tunnels sont réalisées dans le but de permette le passage du courant entre les matériaux à bandes interdites différentes

(figure 2.28) [37].

Figure 2.28 : Diagrammes en coupe transversale schématique du réseau appariés (LM : Lattice

matched) et métamorphiques (MM) GaInP / GaInAs / Ge Les configurations de cellules trois jonction, correspondant au 40.1 % LM 40,1 et 40,7% MM cellules concentration [37].

On distingue deux structures solaires triple jonctions (CSTJ) (figure 2.28).

- La première, nommée "lattice matched" (LM ou en accord de maille), est épitaxie avec une divergence de paramètre de maille relativement faible de sorte qu’aucune

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dislocation ne se crée dans les couches et les porteurs de charge se propagent sans beaucoup d’obstacles (Figure 2.28. a).

- La seconde structure est épitaxiée avec deux premières couches en désaccord de maille (MM métamorphiques) par rapport à celui du substrat de germanium (Figure 2.28.b). Des couches tampons sont alors successivement rajoutées avec des paramètres de maille variant graduellement entre celui du Ge et celui de l’InGaAs.

Cette dernière structure a l’avantage de mieux répartir les Eg des trois photodiodes dans le

spectre solaire pour une collection plus efficace de photons [38].

Figure 2.29 : Caractéristiques courant-tension d’une cellule métamorphique de 3-jonction. Ce type

pour atteindre plus de 40% de rendement (mesure NREL⁵)[38].

La figure (2.29) explique l’importance du gap énergétique du InGaP, est qui élevé par rapport à celui de Ge et de l’InGaAs, qui se traduit par un Voc élevé.

La puissance de la structure globale CSTJ augmente à cause de l’addition de Voc (les photodiodes mises en série).

La structure CSTJ comporte d’autres couches dont chacune présente un rôle :

- Les jonctions tunnels ont trois buts essentiels : (1) un Eg grand qui laisse passer la lumière vers les photodiodes suivantes, (2) sépare électriquement la zone dopée aux trous et la zone

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NREL est laboratoire national du Département américain de l'Énergie, exploité par l'Institut de Recherche Midwest, (the Battelle Memorial Institute, and Bechtel).

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dopée aux électrons de deux diodes adjacentes, et (3) les électrons passent par effet tunnel d’une photodiode à une autre.

- Les couches "fenêtres" : La couche avant est appelée "fenêtre" et la couche arrière est appelée "back-surface-field (BSF)". Leur rôle est de limiter le taux de recombinaison des porteurs aux interfaces avant et arrière.

- La couche tampon : Cette couche est alors épitaxiée entre deux matériaux de très bonne qualité cristalline pour accorder leurs paramètres de maille, et sert à limiter la diffusion des défauts du substrat vers les couches épitaxiées.

- La couche antireflet : Elle permet une meilleure collection de la lumière en diminuant la réflectivité à l'interface de la cellule du haut.

- La couche de contact est formée d’InGaAs fortement dopée de type n qui permet d’avoir un bon contact ohmique, les couches métalliques sont déposées au-dessus de la couche de contact, pour limiter la résistivité à l’interface, ces dernières doivent avoir une bonne adhésion avec la structure CSTJ.

La figure 2.30 représente la caractéristique courant-tension et la puissance de la cellule

tandem InGaP/GaAs mesurées par japan Quality Assurance Organisations [38].

0 1 2 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 voltage(V) power(W) voltage(V) cu rre n t(A) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Po w e r(w ) Cell area 4cm2 AM1.5 global 100mW/cm2 Isc:56.88mA Voc:2.488V FF:85.6% E_ff : 30.28%

Figure 2.30 : Caractéristiques courant-tension (I-V) et puissance-tension

(P-V) de la cellule tandem InGaP / GaAs mesurées par Japan Quality Assurance Organisations [38].

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2.7 Conclusion

Ce chapitre a fait l’objet d’un rappel sur les matériaux semiconducteurs III-V tel que (la structure cristalline, réseau réciproque, etc….). La deuxième partie a fait appel aux alliages

ternaires tels que Ga_xIn_1-xP leurs propriétés et leurs applications dans le domaine des cellules

photovoltaïques ou dans le domaine de l’optoélectronique.

Les développements récents dans le domaine du photovoltaïque à semiconducteur III-V ont été introduits et des stratégies possibles pour ces améliorations du rendement ont été exposées. Environ 40% de rendement a été obtenu avec des cellules solaires multi-jonctions. Pour améliorer encore l'efficacité, on recherche actuellement dans les semiconducteurs à bande interdite directe fortement absorbants et de comptabiliser la dissipation d'énergie dans ces matériaux.

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Chapitre 3 DFT et méthode de calcul FP-LAPW

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3.1 Introduction

La fonction d‟onde de l´état fondamental du système ne peut pas être décomposée en un simple produit de fonctions d‟onde des électrons pris individuellement car il y a une corrélation entre électrons.

Les calculs correspondants au premier principe sont principalement menés dans la

théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) [1] « Density Functional Theory », qui se

traduit par une série d‟équations d‟un électron. La DFT fut introduite au milieu des années

soixante par Hohenberg et Kohn [2] et Kohn et Sham [3]. Elle est plus puissante car elle

permet d‟obtenir la densité électronique.

Nous présenterons dans ce chapitre les bases de la DFT (théorèmes de Hohenberg et

Kohn [2], les équations de Kohn et Sham [3] et les approximations de la densité locale et du

gradient généralisé. Puis, nous montrerons en quoi consiste un cycle d'auto-cohérence du calcul de la densité électronique.

Nous aborderons également la façon dont on peut améliorer le calcul de la structure de bande, ainsi que la méthode de calcul FP-LAPW et son concept dans le code Wien2k.