en GaAs- Etat de l'art
III.2 Principe de la conversion photovoltaïque :
III.3.2 Les paramètres de sortie :
Le modèle de la cellule solaire est basé sur l’analyse du transport des porteurs minoritaires induit par injection électrique ou optique. Le courant total dans une jonction p-n est la somme des courants de diffusion et d’entraînement qui existent [19, 68]. Un courant de diffusion se produit lorsqu’il y a un gradient de porteurs libres. Les électrons générés par absorption optique dans le coté de type 𝑝 de la jonction diffusent vers la région de déplétion où ils l’a traversent par le champ électrique dû aux charges de la zone dépeuplée. Dans l’autre coté de la jonction les électrons deviennent des porteurs majoritaires et peuvent être collectés par le contacte ohmique. Une situation semblable se produit dans le coté 𝑛 de la jonction où les trous photogénérés diffusent vers la jonction pour être collectés comme porteurs majoritaires dans le coté de type opposé.
Les courants de diffusion pour les électrons et les trous sont donnés en termes de gradient de concentration des porteurs minoritaires comme suit [19, 68] :
𝐽𝑛𝐷 = 𝑞𝐷𝑛∇𝑛 et 𝐽𝑝𝐷 = −𝑞𝐷𝑝∇𝑝 (III.1)
Où 𝑞 est la charge des électrons,∇𝑛,∇𝑝 sont les gradients dans les excès des porteurs minoritaires, et 𝐷𝑛,𝐷𝑝 sont, respectivement, les coefficients de diffusion des électrons et des trous.
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L’entraînement c’est la migration des porteurs chargés dans un champ électrique. Un champ électrique 𝜉 accélère les porteurs de charge. Après interactions par collisions avec des phonons, des impuretés neutres ou chargés, les porteurs atteignent une vitesse d’entraînement stationnaire. Les courants de diffusion sont donnés par :
𝐽𝑛 = 𝑞𝜇𝑛𝑛𝜉 et 𝐽𝑝 = 𝑞𝜇𝑝𝑝𝜉 (III.2)
La mobilité 𝜇 est une mesure des masses effectives des porteurs et la fréquence des évènements de dispersion des porteurs (𝜇 = 𝑞
𝑚𝑒𝑓𝑓𝜏𝑑). Bien que les masses effectives peuvent être calculées à partir de la courbure des bandes de valence et de conduction, la forte dépendance en impuretés et en défauts, rend la détermination de la mobilité des porteurs très difficile. Plutôt, des estimations semi-empiriques des mobilités des porteurs en fonction du dopage, de la température, et des densités des défauts, sont utilisées pour un modeling précis [2]. Pour un semiconducteur non dégénéré à l’équilibre d’espace qui contient les atomes ionisés des dopants en créant, par conséquent, un champ électrique fort à travers la jonction (Fig.III.2). La base et l’émetteur à l’extérieur de la région dépeuplée sont libres des charges d’espace et le transport des porteurs minoritaires est dû principalement à la diffusion. Cette simplification s’appelle l’approximation de quasi-neutralité.
Le fonctionnement d’une cellule solaire est généralement caractérisé par deux courants:
le photocourant et le courant de l’obscurité. Le courant de l’obscurité est dû principalement à la diffusion des porteurs minoritaires injectés dans les régions quasi-neutres de l’émetteur et de la base. Le photocourant est composé des porteurs minoritaires qui diffusent à travers les régions quasi-neutres et se collectent par le champ électrique de la zone de charge d’espace. Le photocourant et le courant de l’obscurité sont calculés par la somme des courants de diffusion et d’entraînement dans les régions quasi-neutres et la zone de charge d’espace, en tenant compte de la génération et de la recombinaison. Dans chaque région, le transport des porteurs minoritaires est déterminé par la résolution des
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La caractéristique courant-tension pour une cellule solaire est donnée par [19, 68] : 𝐽 = 𝐽0(𝑒𝑥𝑝 𝑞𝑉 dopages des régions p et n, respectivement. 𝐷𝑝, 𝐷𝑛 , sont, respectivement, les coefficients de diffusion des trous et des électrons. 𝜏𝑛, 𝜏𝑝 , sont les durées de vie des électrons et des trous. également par le mode photovoltaïque [69]. Lorsqu’on branche un voltmètre aux bornes de la cellule, le courant qui débite de la cellule s’annule par la résistance élevée du voltmètre et celui-ci indique une tension, c’est la tension du circuit ouvert [68] :
𝑉𝑜𝑐𝑘𝐵𝑇
𝑞 𝑙𝑛 (𝐽𝑝ℎ
𝐽0 + 1) (III.8)
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𝑉𝑜𝑐 est lié à 𝐸𝑔 du matériau, la barrière du potentiel à l’équilibre, l’intensité de la lumière, le courant de saturation inverse, et les résistances séries [69]:
- Autant que 𝐸𝑔 est large, plus grande est la barrière du potentiel, ce qui donne un 𝑉𝑜𝑐 plus grand.
- Quand l’intensité de la lumière augmente, la caractéristique J-V va se déplacer en plus vers le bas, ce qui sert aussi à croître 𝑉𝑜𝑐 dû à la nature exponentielle de la relation entre le courant et la tension.
- D’après la relation (III.8), une augmentation dans le 𝐽0 entraîne une diminution dans le 𝑉𝑜𝑐, puisque si 𝐽𝑜 augmente il va déplacer la caractéristique illuminée vers le haut ce qui signifie qu’elle va couper l’axe des tensions a une tension plus inférieure.
- L’effet des résistances séries apparaît dans la pente de la caractéristique en régime ohmique.
Figure III.3 : Caractéristique typique d’une cellule solaire illuminée.
𝐽 𝑠𝑐 est liée directement à l’absorption du dispositif, puisque la lumière non absorbée ne peut être convertie en courant. Cependant, la largueur de la région de déplétion et les longueurs de diffusion des porteurs affectent de façon importante 𝐽 𝑠𝑐. Si la région de déplétion est large, et les longueurs de diffusion sont longues alors une large fraction des photons absorbés va créer des paires électron-trou qui vont être séparés par le champ dans la région de déplétion et collecter comme courant. D’autre part si la région de déplétion est
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étroite et les longueurs de diffusion sont courtes, seulement une petite fraction de la lumière absorbée i.e, ; porteurs photogénérés qui vont être expulsés par le champ de la région de déplétion avant d’être recombinés dans la région neutre [69].
𝑃 𝑚𝑎𝑥 représente le point de la puissance maximale, qui indique aussi le courant et la tension du fonctionnement optimaux et défini le facteur de forme à travers la relation [69] :
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑠𝑐𝑉𝑜𝑐𝐹𝐹 (III.9)
Finalement le rendement de conversion de la cellule est défini comme étant le rapport entre la puissance 𝑃𝑚𝑎𝑥 de la cellule et la puissance de la lumière incidente [1]:
𝜂 = (𝑃𝑚⁄ ) × 100, (%) 𝑃𝑖 (III.10)
L’efficacité de conversion maximale est approximativement 28%, mais en pratique et à cause de plusieurs autres facteurs, l’efficacité est seulement autour de 10 − 20%. Les facteurs qui influent le fonctionnement d’une cellule solaire sont la réflexion, les résistances série, la valeur basse du facteur de forme, et l’absorption inappropriée [1].
III.4 Effet des particules sur la cellule solaire en GaAs- Etat de l’art :
L'étude des défauts des irradiations dans le GaAs a reçu de considérables attentions pour l'intérêt que présente ce matériau dans les dispositifs électroniques employés dans les systèmes spatiaux. Ce sujet est également important pour comprendre les endommagements dans le GaAs durant l'implantation ionique utilisée dans le traitement des dispositifs. Bien que la gamme d'énergie et le type d'irradiations utilisés dans ces deux domaines soient différents, la nature des défauts principaux créés par les irradiations pourrait avoir des similarités importantes [52].
La dégradation des cellules solaires par l'effet des irradiations est l'un des problèmes fondamentaux qui affecte l'utilisation des cellules solaires comme source d'énergie pour les applications spatiales [70], car elles subissent une forte dégradation de leurs performances en raison de défauts structuraux induits [71].
La qualité des cellules solaires est représentée en termes de paramètres de sortie d'ingénierie. L'effet des irradiations sur les cellules peut alors être décrit en termes de changements dans les performances de ces paramètres, concernent à la fois les caractéristiques physiques et électriques de la cellule et permettent de mieux comprendre les mécanismes impliqués. Les concentrations d'impuretés, la recombinaison, les longueurs de diffusion et les durées de vie des porteurs minoritaires sont les aspects physiques du
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comportement des cellules solaires tandis que les paramètres électriques incluent le courant de court-circuit (𝐼𝑠𝑐), la tension de circuit ouvert (𝑉𝑜𝑐), le facteur de forme (FF), la puissance maximale fournie (𝑃𝑀) et le rendement de conversion (𝜂) [12].