Réponse spectrale Généralités :

Les paramètres électriques de la cellule photovoltaïque obtenus avec une caractérisation I(V) nous renseignent sur les performances globales de celle-ci sans indiquer précisément leurs origines. La réponse spectrale, et plus particulièrement le rendement quantique externe, permet de déterminer la réponse de la cellule en fonction de la longueur d’onde et de localiser dans la cellule les sources qui limitent (ou non) ses performances.

Comme nous l’avons vu dans la partieI.2.1, le coefficient d’absorption du silicium varie avec la longueur d’onde du rayonnement. Les photons de faible longueur d’onde sont absorbés près de la surface (dans l’émetteur) alors que ceux de longueur d’onde plus élevée sont majoritairement absorbés au cœur de la cellule (dans la base). Il est donc possible d’accéder au comportement et à l’efficacité de chaque région de la cellule. Plusieurs facteurs sont responsables de la diminution du rendement quantique externe : citons les phénomènes de recombinaison aussi bien en surface qu’en volume et la réflexion de la face avant ainsi que la longueur de diffusion des porteurs.

Banc de mesure :

Le banc de mesure conçu pour mesurer la réponse spectrale de l’échantillon en fonction de la longueur d’onde Figure II.9. Un monochromateur sélectionne la longueur du faisceau lumineux de la lampe halogène. La sélection des longueurs d’onde est assurée entre 350 et 1100nm. Le signal lumineux est ensuite modulé par un hacheur de faisceau dont la fréquence

sera choisie comme référence de la détection synchrone. Un filtre optique est utilisé pour les longueurs d’onde supérieurs à 700nm afin d’éliminer l’influence de la deuxième harmonique de diffraction du réseau. Un jeu de miroirs permet de diriger le faisceau sur l’échantillon. Le photocourant de l’échantillon est transformé en tension par un convertisseur I-V. Cette tension est filtrée par la détection synchrone, puis mesurée par un voltmètre avant d’être enregistrée par un ordinateur. Dans un premier temps, on mesure pour chaque longueur d’onde la tension délivrée en sortie de chaine avec l’échantillon, puis dans un second temps la tension avec la référence. A partir delà, la réponse spectrale est parfaitement connue sur l’ensemble du spectre.

Figure II.9 : Schéma de principe du banc de mesure de la réponse spectrale (d’après [13]). Alimentation 10A Monochromateur Ordinateur Voltmètre Détection Synchrone Convertisseur I(V) Relais Echantillon Référence

Miroir sphérique ^{Miroir Plat}

Filtre optique

II.3.3.3 Suns-Voc

La mesure Suns-Voc permet d’obtenir une caractéristique I-V de la cellule par la mesure de la tension à circuit ouvert Voc en fonction de l’intensité lumineuse exprimée en Suns (1Sun = 1kW/m². Cette caractéristique est réalisée grâce à un système d’acquisition qui enregistre simultanément la variation de l’intensité produite par la lampe Flash (pendant des durées de 1 à 12ms), prise sur la cellule de référence et de la variation de la tension aux bornes de la cellule à étudier (Figure II.10 et II.11). La relation existant entre l’intensité lumineuse et la

densité de courant exprimée en mA/cm2 pour chaque valeur de Voc, permet d’aboutir à

caractéristique I-V [14]. Cette donnée peut être exploitée pour avoir des informations sur le matériau, notamment la qualité de passivation de surface

Figure II.10 : Schéma de principe du banc de mesure Suns-Voc.

Alimentation et dispositif d’amorçage de la lampe flash PC Lampe flash produisant une lumière blanche Cellule test Oscilloscope Cellule de référence

Figure II.11 : Variation de l’intensité lumineuse prise sur la cellule de référence et de la tension V_oc mesurée aux bornes de la cellule test, en fonction de la durée de l’éclairement de la lampe Flash.

Lors de cette mesure, Jcc n’est pas mesuré mais il est rentré par l’utilisateur en fonction des résultats obtenu par d’autre méthode de caractérisation ou par simulation. La mesure Suns-Voc permet aussi d’extraire les courants de saturation de la cellule (Js1, Js2), le pseudo-facteur de forme de la cellule sans prendre en compte la résistance série (Rs). Le pseudo-FF nous renseigne sur la qualité de la résistante shunt et par suite sur les courants de fuite pouvant être causés par un défaut (Ceci est le cas lorsque la diffusion des contactes métalliques à haute température perce l’émetteur, ou un court-cicuit subsiste sur les bords de la cellule) [14]. Un rendement sans l’influence de Rs (appelé pseudo-rendement), peut aussi être calculé par cette méthode. Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque lors de la mesure Suns-Voc est approximé au niveau électrique par le schéma équivalent Figure II.12, ce modèle à deux diodes a pour équation :

       1 1 (II-20) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,001 0,010 0,100 1,000

0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03 6,00E-03 8,00E-03 1,00E-02 1,20E-02 1,40E-02

Cell Voltage (v ol ts) Light Intensit y (Suns) Time (sec)

Illumination at Reference Cell and Test Cell Voc

Light Intensity

V V IR , R 0 (résistance série) : tension au borne des diodes. J courant de photogénération.

J , J courants de saturation.

n1 , n2 : facteurs d’idéalité des diodes.

: résistance parallèle.

Figure II.12 : Modèle à deux diodes d’une cellule lors de la mesure Suns-Voc

• Rapport entre la tension de circuit ouvert Voc et la vitesse de recombinaison en

surface Sn(Sp)

Nous avons vue dans le paragraphe I.6.1.4. que La passivation en surface permettait d’améliorer la qualité électronique en surface en neutralisant les sites actifs, sources de recombinaisons, de ce fait les mécanismes de passivation de la surface permettent de réduire les recombinaisons et par suite diminuer les vitesses de recombinaisons (Sn ou Sp) des porteurs à la surface. Or, Les pertes dues à la recombinaison des porteurs minoritaires affectent principalement la tension de circuit ouvert Voc , ce paramètre qu’on mesure par la méthode Suns-Voc, permet de quantifier la qualité de passivation en surface de nos structures. Pour cela une étude de la variation du facteur Voc en fonction de Sn(Sp) est présentée. Cette étude consiste à simuler sous PC1D une cellule solaire standard, dont les paramètres sont regroupés dans le tableau IV.1.

Les variations de la tension de circuit ouvert Voc en fonction des vitesses de recombinaison en surface sont représentées sur la Figure II.13 et cela pour deux durée de vie : τn = τp = 10µs (LD = 350µm) et τn = τp = 40µs (LD = 150µm). On constate que le Voc est très sensible aux variations de la vitesse de recombinaison (Sn ou Sp) dans l’intervalle 10³ - 10⁸cm/s. En effet, si on prend comme exemple, la décroissance du Voc de 550 à 542mV pour

V JS1, n1 JS2, n2

Rp

un τ = 40µs correspond à une augmentation de la valeur de Sn (Sp) de 104 à 106 cm/s, en

d’autre terme, cela veut dire qu’une faible décroissance de la tension Voc de 8mV

correspondra à une augmentation de la vitesse de recombinaison de 100 fois.

Tableau IV.1 : Paramètres d’une cellule standard simulée sous PC1D.

Figure II.13 : Variation de la tension de circuit ouvert (Voc) en fonction des recombinaisons en surface d’une cellule solaire standard simulée sous PC1D. 1 100 10000 1000000 1E8 1E10 535 540 545 550 555 560 Durée de vie = 10µs Durée de vie = 40µs Voc (mV) Recombinaison en surface (cm/s) Epaisseur 250µm Dopage du substrat 10¹⁶ cm^-3 Dopage de l’emetteur 3. 10²⁰ cm^-3 Dopage du BSF 5.1019 cm-3 Longueur de diffusion 150µm – 300µm

Vitesse de recombinaison sur la face avant Variable de 100-10⁸ cm/s

Vitesse de recombinaison sur la face arrière 10⁵ cm^-3

Epaisseur du BSF 1µm

Réflectivité sur la face avant PS038