Rappel sur l’effet photovoltaïque et les pertes fondamentales et technologiques

I.2.1 L’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque présenté dans cette partie, tiré de la thèse de Poulain [46] et celle de Thibert [47], est la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Un

semi-conducteur possède une structure de bandes qui présente un écart énergétique Eg (en eV), le

gap, entre le maximum Ev de sa bande de valence et le minimum Ec de sa bande de conduction:

Eg = Ec − Ev (I.1) Par conséquent, lorsqu’un photon interagit avec un semi-conducteur, trois cas peuvent se produire en fonction de son énergie (voir la Figure I.1), tous sont régis par les lois de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement :

a) si son énergie est inférieure à celle du gap du semi-conducteur : il ne peut pas

faire passer un électron de la bande de valence vers la bande de conduction. Le photon traverse le semi-conducteur sans interagir.

b) si son énergie est égale à celle du gap du semi-conducteur : il peut être absorbé

et faire passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction. Plus précisément, l’électron est arraché de sa liaison chimique et il laisse derrière lui (dans la bande de valence) un électron manquant symbolisé par une pseudo-charge positive appelée un trou. En d’autres

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termes, il y a absorption fondamentale et photo génération d’une paire électron-trou qui possède une énergie égale à celle du gap. Les porteurs de charge sont alors libres de se déplacer dans le cristal, les trous dans la bande de valence et les électrons dans la bande de conduction.

c) si l’énergie du photon est supérieure à celle du gap du semi-conducteur : il peut

faire passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction. Il y a photo génération d’une paire électron-trou, mais la différence entre l’énergie du photon et celle du gap est perdue par thermalisation des porteurs de charge, c’est-à-dire que les porteurs de charge migrent vers les extrema de la structure de bandes.

Il est possible de définir une énergie et une longueur d’onde de coupure λc qui

correspondent à l’énergie minimale et à la longueur d’onde maximale que doit posséder un photon pour qu’il génère des paires électron-trou. Dans une cellule photovoltaïque, ces paires doivent être séparées et extraites avant qu’elles ne se recombinent.

Figure I.1 : Schéma des trois cas qui peuvent se produire lorsqu’un photon heurte un semi-conducteur.

Le rendement est souvent utilisé comme paramètre pour comparer les performances de différentes cellules solaires. Il est défini comme le rapport entre la puissance fournie par la

cellule soit Icc x Vco x FF (qui sont le courant de court-circuit, la tension de circuit ouvert et le

facteur de forme respectivement) et la puissance incidente fournie par le rayonnement solaire. Le rendement dépend donc du spectre solaire et de l’intensité du rayonnement lumineux, ainsi que de la température de la cellule elle-même. Une cellule de silicium classique est décrite sur la Figure I.2. La configuration complexe de ces cellules présente des facteurs de perte limitant leur rendement. Ces facteurs sont classés en deux grandes catégories, que sont les pertes fondamentales et technologiques.

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Figure I.2 : Schéma d'une cellule photovoltaïque de silicium classique

I.2.2 Les pertes fondamentales

Plusieurs phénomènes physiques limitent le rendement maximal théorique de la cellule solaire en silicium à 29,8% [2,48]. Nous ne reviendrons pas sur l’absorption incomplète des photons ou l’excès d’énergie de ceux-ci (décrit précédemment) mais nous pouvons indiquer

que ces deux premières limitations, influant sur le courant de court-circuit Icc et sur la tension

de circuit ouvert Vco, réduisent le rendement théorique de 45% [49].

Une autre perte concerne le facteur de tension : la tension de circuit ouvert de la cellule

Vco ne peut dépasser l’énergie du gap du silicium, soit Eg/q. En pratique, la tension d’une cellule

ne correspond qu’à une fraction de sa tension de gap notamment à cause des recombinaisons

Auger, qui limitent le Vco à 0,65V pour une cellule solaire épaisse, et à 0,72V pour une cellule

de 20 µm [2,50].

Le dernier paramètre est celui concernant le facteur de forme. L’expression du courant faisant intervenir une fonction de Boltzmann, elle possède un caractère exponentiel, il lui est par conséquent impossible d’être rectangulaire. Dans le cas d’une cellule idéale, le facteur de forme vaudrait 0,89 (contre 1 pour une caractéristique I(V) rectangulaire) [2].

I.2.3 Les pertes technologiques

Après avoir vu les pertes fondamentales, nous allons décrire les pertes technologiques à savoir les pertes optiques, les recombinaisons et les pertes résistives [46,47].

Les pertes optiques sont les pertes technologiques dues à la non absorption d’un photon dans le matériau, elles ont un effet majoritaire sur le courant de court-circuit :

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• Le taux d’ombrage : la face avant de la cellule solaire est recouverte par une

grille en métal (elle recouvre environ 10 % de la surface avant dans le cas d’une cellule industrielle standard), qui empêche les photons de pénétrer dans le matériau. Celui-ci ne peut pas être réduit indéfiniment, car la métallisation en face avant doit également tenir compte des pertes résistives qui augmentent si les contacts sont trop étroits.

• Les réflexions : le silicium possède un indice de réfraction très élevé (n=4 à 575

nm), ce qui entraîne une réflexion importante en surface. Le silicium monocristallin réfléchit environ 35% de la lumière incidente. Le nombre de photons disponibles pour la conversion est donc limité. Ces pertes sont généralement réduites grâce à une texturation de la surface et à l’application d’une couche antireflet.

• Le rendement d’absorption : si la cellule n’est pas suffisamment épaisse, il se

peut que les photons de faible énergie (ou de grande longueur d’onde) ne soient pas absorbés dans l’épaisseur du matériau. Ce phénomène devient important quand la cellule est très fine (<100 µm), et peut être minimisé en utilisant une couche réfléchissante sur la face arrière de la cellule (on parle de réflecteur arrière).

• Les pertes par recombinaisons : même si un photon donne naissance à une paire

de porteurs, ces derniers ne seront pas forcément collectés à cause des recombinaisons. Ces pertes sont définies par le rendement de collecte (ou efficacité quantique). Il correspond au rapport du nombre de porteurs collectés sur le nombre total de porteurs photo générés. Les recombinaisons, et plus particulièrement la durée de vie des porteurs, dépendent du silicium et du procédé de fabrication de la cellule. Plus le dopage et la concentration en défauts/impuretés augmentent, plus il y a de recombinaisons.

• Les pertes résistives : le rendement de la cellule est également affecté par les

pertes résistives. Elles sont dues notamment aux résistances parallèles, telles que les courants de fuites par les bords de la cellule photovoltaïque ou lorsque le métal de la face avant court-circuite l’émetteur. Le deuxième type de perte est dû à la résistivité des différents éléments de la cellule solaire : les résistances séries.

Il existe différents moyens permettant de réduire ces pertes. D’un point de vue optique, nous pouvons citer, à titre d’exemple la texturation de surface. Cette opération vise à créer de la rugosité pour diminuer la réflectivité de la surface de la cellule. Plus précisément, lorsque la longueur d’onde de la lumière incidente est inférieure aux dimensions des structures réalisées, les rayons incidents suivent les lois de l’optique géométrique. Le procédé le plus employé pour réaliser la texturation de surface est une attaque chimique (par KOH) créant une rugosité en

35 forme de pyramides (de dimensions caractéristiques allant de 5 à 10 µm), permettant des réflexions multiples (Figure I.3). Toute rugosité de la surface réduit la réflectivité en favorisant les chances pour la lumière de se réfléchir sur le matériau. Par exemple, un rayon arrivant en incidence normale par rapport au plan de la cellule est réfléchi sur la face d’une « pyramide »

adjacente, diminuant ainsi le coefficient de réflexion de R à R². De plus, le rayon transmis dans

la cellule l’est avec un angle de réfraction différent de 0°, augmentant son parcours au sein du silicium par rapport au cas d’une surface plane. La probabilité d’absorption des photons en est donc améliorée. Enfin, la texturation de la face arrière entraîne un piégeage plus important de la lumière au sein de la cellule.

Figure I.3 : Schéma comparatif des phénomènes de réflexion sur surfaces plane et texturée. I est l’intensité lumineuse incidente, R est le coefficient de réflexion et T celui de transmission

[51].

Plus récemment, Qi et al. [52] et Yao et al [53]. ont montré une méthode simple pour créer des structures pyramidales en utilisant du KOH comme indiqué précédemment et en réalisant deux étapes supplémentaires à savoir le dépôt de nanoparticules d’argent à partir d’une

solution de HF/AgNO3 qui sont ensuite dissoutes par de l’acide nitrique, donnant à la structure

une surface poreuse comme indiqué Figure I.4. Cette méthode est simple et économique pour réaliser des surfaces à la fois superhydrophobes et antireflets sur substrat de silicium.

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Figure I.4 : (a) Procédure de création de structures hiérarchiques sur une surface de silicium. (b) imagerie MEB en coupe transversale de pyramides en silicium créées avec une gravure KOH, (c) imagerie MEB en coupe transversale de structures hiérarchiques générées

par gravure assistée par Ag [52].

Si comme nous l’avons indiqué la méthode de texturation par KOH est la plus simple à employer, nous pouvons tout de même citer d’autres travaux tirés de la littérature pour