Le principe d’une cellule solaire est de convertir le flux de photons provenant du rayonnement solaire en énergie électrique. Les cellules solaires que nous allons étudier dans ce chapitre utilisent une jonction p-n pour réaliser cette conversion. Leur principe de fonctionnement est illustré en Figure III.1. La cellule est constituée de deux régions semiconductrices ayant un dopage différent (types p et n). La jonction entre ces deux régions est occupée par la zone de charge d’espace (ZCE). Cette zone, exempte de porteurs libres, est le siège d’un champ électrique interne qui crée une barrière de potentiel empêchant la diffusion des trous et des électrons vers les zones n et p respectivement.
Figure III.1 – Principe de fonctionnement d'une cellule solaire.
Dans l’obscurité, le comportement de la cellule est celui d’une diode classique comme le montre la courbe bleue de la Figure III.2. La caractéristique J-V de la cellule suit la loi exponentielle suivante:
ܬ ൌ ܬቂ݁ݔ ቀ்ቁ െ ͳቃ ሺ͵Ǥͳሻ
où J0 est le courant de saturation de la diode ; q, la charge élémentaire ; k, la constante de
Boltzmann ; T, la température; V, la tension appliquée.
Lorsque la cellule est éclairée, les photons incidents dont l’énergie est supérieure au gap du matériau sont absorbés. L’absorption de photons entraîne la création dans toute la cellule de paires électron-trou. Ce sont les porteurs issus de la dissociation de ces paires électrons-trou qui vont contribuer au courant généré par la cellule photovoltaïque. En fonction de la zone de création des paires électron-trou, on distingue le photocourant de diffusion et le photocourant de génération (Mathieu and Fanet, 2009). Les porteurs minoritaires photogénérés dans les zones p et n participent au photocourant de diffusion. Ces porteurs diffusent dans les régions neutres et ceux qui atteignent la ZCE sont envoyés par le champ électrique vers la région où ils deviennent des porteurs majoritaires. Dans le cas contraire, les porteurs se recombinent dans le matériau sans générer de courant. La probabilité pour un porteur minoritaire d’atteindre la ZCE avant de se recombiner dépend de sa longueur de diffusion donnée par : ܮ ൌ ξܦ߬ où ܦ est le coefficient de diffusion et τ le temps de vie du porteur. Les paires électron-trou générées dans la ZCE sont dissociées par le champ électrique : l’électron est envoyé vers la zone de type n tandis que le trou est propulsé vers la zone de type p. Ces porteurs crées dans la ZCE contribuent au
photocourant de génération. La somme des photocourants de diffusion et de génération
constitue le photocourant résultant ܬ qui participe à l’augmentation du courant de saturation de la diode. En pratique, on cherche à maximiser le photocourant de génération en prenant soit l’épaisseur de la région supérieure très inférieure à ͳȀߙ où ߙ est le coefficient d’absorption du
III.1. Notions de base en photovoltaïque
63
matériau ou bien en insérant une région intrinsèque entre les régions n et p afin que la majorité des porteurs soit créée dans la ZCE.
Le photocourant est maximal à tension nulle c’est-à-dire lorsqu’on court-circuite la cellule en reliant les zones p et n. Il s’agit du courant de court-circuit noté Jsc. L’application d’une
polarisation aux bornes de la cellule va venir modifier le courant délivré par la cellule. En polarisant positivement la cellule, on va diminuer l’influence du champ interne et favoriser le courant de diffusion des porteurs minoritaires (diffusion des électrons et des trous vers les zones p et n respectivement). Lorsque le courant de diffusion des porteurs minoritaires s’équilibre avec le photocourant, le courant total s’annule. La tension pour laquelle on a J=0 est appelée la tension de circuit ouvert, notée Voc (il s’agit de la tension maximale délivrable par la
cellule). L’évolution du courant en fonction de la tension de polarisation pour une cellule sous éclairement est représentée par la courbe rouge de la Figure III.2. Cette caractéristique est celle de la diode dans le noir décalée vers le bas de la valeur du photocourant ܬ. Elle suit la relation suivante :
ܬ ൌ ܬ
ቂ ቀ
்ቁ െ ͳቃ െ ܬ
ሺ͵ǤʹሻJ0 est le courant de saturation de la diode ; q, la charge élémentaire ; k, la constante de
Boltzmann ; T, la température; V, la tension appliquée et Jph, le courant photogénéré. En posant
J=0 dans l’équation (3.2) on obtient la relation suivante pour le calcul du Voc :
ܸ
ൌ
் ቀ
బ ͳቁ
ሺ͵Ǥ͵ሻDans le quadrant inférieur droit de la courbe, le produit J*V est négatif : la cellule solaire génère une puissance électrique. Pour un couple (J,V) donné, la puissance délivrée par la cellule est maximale. Le facteur de remplissage, noté FF, évalue la puissance générée en effectuant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance maximale théorique donnée par le produit Jsc*Voc.
ܨܨ ൌ
ೌೣFigure III.2 – Caractéristique I-V d'une cellule solaire à jonction p-n dans l'obscurité et sous éclairement. A droite : schéma électrique équivalent d'une cellule solaire.
Pour mesurer l’efficacité de conversion de la cellule solaire, on effectue le ratio entre la puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance du rayonnement incident. On obtient ainsi le rendement η de la cellule en mW/cm² :
ߟ ൌ
ೌೣ
ൌ
ೞிி
ሺ͵ǤͷሻAfin de faciliter la comparaison des performances de différentes cellules solaires, ces dernières sont mesurées dans des conditions standards d’éclairement, c’est-à-dire à 25°C et sous un rayonnement incident identique en termes d’intensité et d’énergie. Pour des applications terrestres, on utilise le spectre solaire AM1.5G qui prend en compte l’absorption par l’atmosphère à certaines longueurs d’onde. Ce spectre est normalisé pour générer une puissance égale à 100 mW/cm². L’abréviation AM signifie « Air Mass », ce paramètre quantifie l’absorption par l’atmosphère du rayonnement en fonction de l’angle d’incidence. AM=1.5 pour un angle d’incidence θ égal à 45° par rapport à la normale. La lettre G signifie « global » et indique que le spectre prend en compte le rayonnement direct et diffusé.
La présence de résistances est l’un des principaux facteurs réduisant les performances d’une cellule solaire. On distingue deux types de résistances : la résistance série, notée Rs, liée à
la résistivité des zones neutres et des contacts, et la résistance parallèle, notée Rp, causée par
l’existence de chemins de conduction parasites dans la cellule.
La Figure III.3 montre comment ces résistances modifient le schéma équivalent de la cellule solaire.
III.1. Notions de base en photovoltaïque
65
Figure III.3 – Schéma équivalent d'une cellule solaire à jonction p-n incluant la présence de résistances série et parallèle.
La relation courant-tension de la cellule devient :
ܬ ൌ ܬ
݁ݔሾ
ሺାோ் ೞሻሿ
ோെ ܬ
ሺ͵ǤሻLes résistances Rs et Rp peuvent être estimées en calculant l’inverse de la pente de la
tangente à la courbe J-V aux points Voc et Jsc. Une méthode plus précise pour la détermination de
Rs a été décrite par Pysch et al. (Pysch et al., 2007) et est illustrée en Figure III.4. La résistance
série sous illumination est obtenue par la relation suivante:
ܴ
௦ൌ
ೝǡೌೣିǡೌೣȁೌೣିሺȁೞȁȁିȁೌೣȁሻכோೞǡೝ ሺ͵ǤሻLe terme ܸǡ௫െ ܸǡ௫représente la différence de tension au point Pmax entre la
courbe J-V dans le noir à laquelle on a soustrait le courant de court-circuit et la courbe J-V sous illumination. Le terme ሺȁܬ௦ȁ െ ȁܬ௫ȁሻ כ ܴ௦ǡ représente la chute de potentiel liée à la résistance série dans le noir. La résistance série dans le noir est calculée au point Voc par la
relation :
ܴ
௦ǡൌ
ೝǡೞȁೞȁି ሺ͵ǤͺሻAu point Voc, J=0 donc la résistance série sous illumination est nulle et le décalage entre
les deux courbes est uniquement lié à la résistance série dans le noir. C’est cette méthode qui a été utilisée pour la détermination de Rs.
Figure III.4 – Illustration du calcul de Rs à partir de courbes J-V dans le noir et sous illumination. Reproduit à partir de (Pysch et al., 2007)
Les valeurs typiques de résistance séries et parallèle pour des cellules solaires de laboratoire sont respectivement de 0,5 Ω.cm² et 1 MΩ.cm².