4.2 Comportement des dispositifs pour différentes distances focales
4.2.2 Dispositif n°2: lentille de Fresnel et pyramide réfractive
De manière analogue au dispositif n°1, nous analysons le comportement électrique et optique du dispositif n°2 pour cinq distances cellules-POE allant de 143 mm à 155 mm. Tout d’abord, les caractéristiques IV sont mesurées à différentes irradiances. Le courant de court-circuit normalisé, le rendement normalisé et le facteur de forme sont représentés sur la figure 4.8.
La variation de courant de court-circuit observé est du même ordre de grandeur que pour le dispositif n°1, puisque les valeurs observées augmentent lorsque la position de la cellule passe de 143 à 146 mm. le courant atteint ensuite un maximum et diminue pour les distances POE-cellule de 149 mm à 155 mm. La position correspondante au maximum de courant dépend de l’irradiance: pour les spectres riches en rouge, on observe une baisse plus rapide du courant lorsque la distance augmente.
Toutefois, les baisses de rendement apparaissent surtout aux deux positions extrêmes, avec une valeur du rendement normalisé de 72% pour 143 mm et de 71% à 87% selon l’irradiance à 155 mm. Pour des distances entre 146 mm et 149 mm, les variations de rendement sont réduites. Il en résulte que la tolérance de positionnement du récepteur est
Figure 4.8: Isc normalisé, rendement normalisé, FF pour le dispositif n°2 à différentes distances POE-cellule pour différentes irradiances.
plus large que pour le dispositif n°1. Rappelons que nous avons choisi d’effectuer ces tests pour une variation de 5% de la position POE-cellule. Ainsi l’intervalle de distances testé est plus large que dans le cas du dispositif n°1, et le système est d’autant plus tolérant que le dispositif n°1 pour un même décalage en absolu de la position de la cellule.
Enfin, pour le facteur de forme nous observons une chute importante de celui-ci pour la position 143 mm où il atteint près de 70 %. Cette baisse se répercute logiquement sur le rendement pour la même position. Le facteur de forme augmente aussi pour atteindre un maximum à la position 155 mm. Dans cette configuration, c’est la baisse de génération de courant qui engendre la diminution du rendement. Similairement au dispositif n°1, le facteur de forme augmente avec la baisse de l’irradiance, ce qui nécessite d’autres mesures pour comprendre ces évolutions. Nous nous appuyons sur les cartes de densités de courant calculées par imagerie (Fig. 4.9). De manière analogue à la figure 4.6, sont représentées : trois graphiques avec les grandeurs électriques d’intérêt, et trois séries d’image avec les densités de courant Jtop, Jmid et le rapport Jtop/Jmid. Les mesures ont été réalisées dans les conditions suivantes: une irradiance de 600 W/m² et un rapport spectral SMRtopmid de 1,1.
Tout d’abord, nous remarquons que l’effet d’homogénéisation du flux sur la cellule est clairement observable. Contrairement au profil gaussien du dispositif n°1, nous observons un profil du courant photogénéré plus "lissé" pour les deux jonctions. Pour les distances 152 mm et 155 mm, on observe une limitation franche de la jonction top sur l’ensemble de la cellule: le courant Isc,mid,imagerieest supérieur au Isc,top,imagerieet l’image du rapport Jtop/Jmid illustre l’excès de lumière riche en rouge sur la cellule.
Figure 4.9: Grandeurs électriques d’intérêt pour l’étude des non-uniformités à différentes positions de cellule (trois graphiques du haut). Distribution spatiale des densités de courant Jtop et Jmid et du rapport Jtop/Jmid pour les mêmes positions (cartographies du bas). Les mesures sont réalisées pour le dispositif n°2 à 600 W/m², SMRtopmid=1,1.
Lorsque l’on rapproche le récepteur de la lentille aux positions 149 mm et 146 mm, les longueurs d’onde sont mieux focalisées et la balance spectrale devient plus équilibrée. Pour des positions encore plus proches de la cellule, la tendance s’inverse alors, et c’est la jonction middlequi limite globalement le courant avec un excès de longueurs d’onde bleue sur la cellule. L’uniformisation du flux sur la cellule est en revanche moins net, et des courants
locaux plus élevés apparaissent aux coins de la cellule. Il en résulte des limitations en courant moins franches spatialement que pour les positions éloignées et nous constatons des fortes non-uniformités spectrales aux positions 143 mm et 146 mm.
Lorsque l’on s’intéresse aux variations du facteur de forme, nous observons une diminu-tion de celui-ci lorsque la cellule est rapprochée. Cette baisse s’observe pour des condidiminu-tions d’irradiance différentes (Fig. 4.8), indépendamment donc des compositions spectrales testées. Ainsi la cause principale de la baisse du facteur de forme n’est ni la non-uniformité spatiale du flux, ni l’équilibre en courant global des sous-cellules. Les deux autres causes plausibles sont l’intensité du courant photogénéré et les non-uniformités spectrales. Pour le cas étudié, l’intensité maximale du courant observé correspond à la position 149 mm, où le facteur de forme reste élevé. De plus le rapport (Voc−Vmpp)/Vmppne varie pas de manière significative et l’effet de résistance série n’est ici pas la cause de la variation du facteur de forme.
Ce sont principalement les non-uniformités spectrales sur la cellule qui provoquent une limitation du courant qui varie spatialement. Le rapport (Isc− Impp)/Impp traduit bien ce phénomène: une augmentation significative de ce paramètre apparaît pour les positions 143 mm et 146 mm. Cette augmentation s’explique par la circulation latérale de courant dans la cellule permettant de redistribuer les excès locaux observés. Ce phénomène, étudié par simulation dans [95], implique une augmentation des effets de recombinaison à l’intérieur de la cellule, engendrant la baisse du courant Impp.
Lorsque l’on compare ce résultat aux observations effectuées sur le dispositif n°1, les non-uniformités spectrales affectent différemment la cellule. Dans le cas du dispositif n°1, nous avions conclu à l’absence d’impact négatif des non-uniformités spectrales sur les performances alors que pour le dispositif n°2, nous constatons une diminution du facteur de forme. Notons que les densités de courant générées par les deux dispositifs sont proches. Il est en conséquence plus probable que l’importance du phénomène dépende de la résistance de couche du matériau et de la distance que le courant parcourt dans la couche considérée. De manière générale, plus la résistance de couche est grande et plus le parcours du courant dans le matériau est important, plus les performances de la cellule seront affaiblies. La résistance de couche des matériaux testés n’a pas été caractérisée et nous ne pouvons alors dire si la taille de cellule (7 mm de côté pour le dispositif n°2 et 3 mm de diamètre pour le dispositif n°1) est plus impactante que ce paramètre.
L’étude du diagramme des sous-cellules pour les distances 143 mm, 146 mm et 149 mm (Fig. 4.10) permet d’appuyer notre analyse. Tout d’abord, nous voyons que la lumière rouge augmente sur la cellule avec la distance cellule-POE, puisque le courant généré par la jonction middle augmente et le current matching se déplace vers des valeurs hautes de SMRtopmid.
Figure 4.10: Diagramme des sous-cellules du dispositif n°2 pour trois distances POE-cellule.
Ensuite, contrairement au dispositif n°1, nous observons que pour certaines zones spec-trales, les courants normalisés sont inférieurs aux tendances idéales de limitation. Pour ces zones, la limitation du courant par une des jonctions n’est pas franche, et le courant total de la cellule est inférieur aux courants théoriques des deux jonctions pris indépendamment. Ce phénomène est une résultante de la limitation locale du courant et montre que dans le cas du dispositif n°2, l’impact des non-uniformités spectrales s’observe aussi bien sur la génération de courant, avec le diagramme des sous-cellules, que sur le facteur de forme, avec les caractéristiques IV .
En résumé, le dispositif n°2 se montre sensible aux différentes positions de la cellule. Malgré une uniformisation spatiale du flux, nous observons de fortes variations du rendement et du facteur de forme. Plusieurs phénomènes vont affecter les performances: l’effet de focalisation-défocalisation et les non-uniformités spectrales. Ainsi, la position optimale du dispositif est un compromis entre maximisation du courant (positions rapprochées) et minimisation des baisses du facteur de forme (positions éloignées).