Le but d’une cellule photovoltaïque est la conversion d’énergie solaire en énergie électrique avec le rendement le plus élevé possible. Ce rendement général (ηPV) est défini par la puissance électrique (PEL en W) produite par la cellule par rapport à la puissance d’éclairement (PSOL en W.m-2, étant environ 1 kW.m-2 pour un éclairement solaire maximal) pour une surface donnée (S en m²) et décrit par la relation suivante.
𝜂𝑃𝑉 = 𝑃𝐸𝐿 𝑃𝑆𝑂𝐿∗ 𝑆
On s’intéresse en premier lieu à la puissance électrique que peut fournir la cellule. Pour ce faire, il faut déterminer la tension de circuit ouvert correspondant à la tension aux bornes de la cellule mise hors circuit (VOC en V) et le courant de court-circuit (ICC en A) qui est le courant débité par la cellule mise en court-circuit. Le courant ICC est le courant maximal que peut fournir la cellule. Cependant, la cellule se comportant comme un générateur de courant non idéal, elle ne peut fonctionner avec ces deux valeurs simultanément. Le point de fonctionnement idéal est donc défini par Im et Vm correspondant au courant et à la tension associée à la puissance maximale débitée. On introduit alors un facteur de forme (FF pour fill factor, donné à 0,83 pour les cellules Si) représentant l’idéalité de la cellule. Le lien entre ces grandeurs est donné par les relations suivantes :
𝜂𝑃𝑉 = 𝐼𝐶𝐶 ∗ 𝑉𝑂𝐶∗ 𝐹𝐹
𝑃𝑆𝑂𝐿∗ 𝑆 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝐹𝐹 =
𝑉𝑚∗ 𝐼𝑚 𝑉𝑂𝐶∗ 𝐼𝐶𝐶
47 On détermine le courant I, de manière similaire au courant d’une jonction P-N classique en tenant compte de la présence d’un courant photonique Iph au sein de la jonction. On aura alors :
𝐼 = 𝐼𝑆𝐴𝑇∗ (𝑒𝑞𝑉𝑘𝑇− 1) − 𝐼𝑝ℎ
Précisons ici que ISAT est le courant de saturation de la jonction (de l’ordre de quelques nanoampères), T est la température en K, k est la constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 J.K-1), V est la tension en V et q est la charge élémentaire de l’électron (1,6 x 10-19 C). C’est donc principalement le photocourant qui va être responsable du courant produit par la cellule. Il se décompose en plusieurs composantes. Tout d’abord, on retrouve au sein de la jonction deux courants de diffusions, celui des électrons dans la zone N (IN,diff) et celui de trous dans la zone P (IP,diff). À ces deux composantes s’ajoute le courant généré par l’arrivée des photons dans la zone de charge d’espace, c’est le courant de génération IG. Le photocourant s’écrit alors :
𝐼𝑝ℎ = 𝐼𝑁,𝑑𝑖𝑓𝑓+ 𝐼𝑃,𝑑𝑖𝑓𝑓 + 𝐼𝐺
On retrouve donc ici le lien entre le rendement de la cellule et les photons absorbés dans la zone de charge d’espace. Il faut prendre en compte l’ensemble des phénomènes entrainant des pertes de rendement des cellules solaires silicium. Tout d’abord l’absorption des photons ne peut se faire que si l’énergie des photons est supérieure à celle de la bande interdite. Dans le cas d’une jonction au silicium (EG = 1,12 eV), seul les photons de longueurs d’onde inférieures à 1107 nm peuvent être absorbés. Ainsi, les photons dont l’énergie est inférieure seront simplement perdus. Il s’agit là d’une première source de perte (Fig. I.18). Cependant d’autres pertes sont également très importantes. C’est notamment le cas de pertes liées à la nature indirecte de la bande interdite du silicium. En effet, on observe que les photons de forte énergie (supérieure à celle du gap) vont engendrer une dispersion d’énergie sous forme de chaleur. C’est l’effet de thermalisation des porteurs causé par l’émission de phonons visant à conserver l’énergie cinétique du système. Cet effet est également une très importante source de pertes dans une cellule solaire au silicium (Fig. I.18). À ces deux effets s’ajoutent encore d’autres effets parasites comme l’absorption des photons hors de la zone de charge d’espace. Ainsi les photons n’atteignant pas la zone de charge d’espace également absorbés ne contribueront quasiment pas au photocourant de par la très forte probabilité de recombinaison spontanée. Notons aussi que malgré l’utilisation de revêtement spécifiques
48 anti-réflexion, une partie des photons sont réfléchis en surface et ne pénètrent même pas dans la cellule, entrainant ainsi une nouvelle perte.
Considérant l’ensemble de pertes liées aux phénomènes d’interaction photon-silicium, il est possible de déterminer le rendement maximal théorique d’une cellule solaire mono-jonction au silicium. Cette valeur maximale également connue sous le nom de limite de Schockley-Queisser a été déterminée à 30 % en 1961 par les auteurs éponymes [75]. Se basant à l’époque sur un spectre solaire approximatif, cette limite a été réévaluée en 2016 à 33,7 % grâce à une modélisation plus fine du spectre solaire et du spectre d’absorption du silicium [76].
Cependant, malgré que ce chiffre soit déjà relativement faible, les technologies actuellement employées pour la réalisation de cellules solaires monojonction ne permettent pas d’atteindre cette valeur théorique. La cellule de ce type présentant le record de performance actuel (en 2017) est celle mise au point par Kaneka [77] atteignant un rendement de 26,7 % et un facteur de forme de 84,9. Cependant, les cellules standards industrielles présentent un rendement encore plus faible. Typiquement une cellule silicium monocristallin a un rendement de l’ordre de 16 à 24 %, alors qu’une cellule en silicium polycristallin (plus économique) aura un rendement compris en 14 et 18 % pour les meilleures d’entre elles. Toutes les recherches actuelles dans ce domaine, s’activent à augmenter le rendement des cellules tout en conservant un cout de production raisonnable.
Gap du Si à 300 K Irradiation (W.cm-2.µm-1) Longueur d onde (nm) 0 0.1 0.2 500 1000 1500 2000 EG (1.12 eV) EV EC ΔEe Energie cinétique en excès (électrons) Energie cinétique en excès (trous) ΔEh
Thermalisation des porteurs (conversion de l énergie cinétique par émission de
phonons) e -e -h+ h+ EPH > EG Eph > EG 33 % Spectre solaire Spectre d absorption du Si Eph < EG 23.5 % (1107 nm)
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I.2.3.2. Cellule silicium multijonctions