Effet de la température sur les propriétés électriques d’une photopile

R R ép é pu ub bl li iq qu ue e A A lg l gé ér ri ie en nn ne e D Dé ém mo oc cr ra at ti iq qu ue e e et t P Po op pu u la l ai ir re e Ministère de l’Enseignement Supérieur

et de la Recherche Scientifique

Université De Batna Faculté des Sciences

Mémoire

En vue de l’obtention du diplôme de Magister en Physique

Option : Ph P hy ys s iq i qu ue e d de es s m ma at té ér ri ia au ux x m mé ét ta al ll li iq qu ue es s e et t s s em e mi i- -c co on nd du uc c te t eu ur rs s

Par Bouzid Fayçal

Thème

Effet de la température sur les propriétés électriques d’une

photopile

Soutenue le : 04 / 07 / 2004, devant le jury :

Président : Mohamed CHAHDI Prof, U. Batna Rapporteur : Abdelhamid BENHAYA M.C, U. Batna Co-Rapporteur : Chaabane HAMOUDA Dr.Ing, U. Batna Examinateurs : Aissa BELGACEM BOUZIDA M.C, U. Batna El djemai BELBACHA M.C, U. Batna Abdelhamid BOULDJEDRI Prof, U. Batna

Remerciements

Je voudrais saisir cette occasion pour remercier tous ceux qui ont participé de prés ou de loin à l’élaboration de ce travail, en particulier Monsieur le Dr A.

Benhaya à qui j’exprime toute ma gratitude pour les encouragements, conseils et orientations qu’il m’a fournis tout au long de ce travail.

Je voudrais également remercier Monsieur le Dr C. Hamouda et tout le personnel de l’unité de recherche de l’université de Batna qui m’ont aidé d’acquérir des informations précieuses.

Je tiens à remercier Monsieur le professeur M. Chahdi et tous les membres de jury pour bien vouloir examiner et juger ce travail.

Mes remerciements vont aussi a mes parents, pour m’avoir toujours soutenu.

So S om mm ma ai ir re e

Introduction générale……….….01

Chapitre 1 La conversion photovoltaïque 1.1 Introduction………..03

1.2 Le spectre solaire ………..04

1.3 Le corps noir ………07

1.3.1 Réalisation….………08

1.3.2 Calcul du rayonnement du corps noir sur la base des interactions entre l’irradiation et la matière ………08

1.4 Absorption de la lumière………...…11

1.5 Mécanisme de génération recombinaison ………11

1.5.1 Génération Recombinaison par transition directe bande à bande ………11

1.5.2 Génération Recombinaison par centres recombinants………...………...12

1.5.3 Génération Recombinaison Auger ……….…….…..13

1.6 Effet photovoltaïque et mécanisme de conversion ……….……….….14

1.7 Description de la structure d’une cellule solaire ………....….……15

1.8 Matériaux et technologies photovoltaïques ………....….…….16

1.8.1 Photopiles au silicium………..……..…16

1.8.2 Cellules à très haut rendement ……..………..…….…21

1.8.3 Photopiles au silicium poly cristallin ……….…..21

1.8.4 Photopiles au silicium amorphe ……….…….…..22

1.8.5 Cellules à jonctions multiples ………..…….…23

1.8.6 Photopiles en films minces ……….……...24

1.8.7 Photopiles à base de GaAs ………..……..25

1.8.8 Hétéro structures………...………...……...25

1.8.9 Cellule solaire de type Schottky ………..……..26

1.8.10 Cellule solaire de type structure MIS ………...……..27

1.9 Conclusion ………..………….27

de type jonction N-P

2.1 Introduction ……….…28

2.2 Caractérisation de la cellule photovoltaïque ………28

2.2.1 La caractéristique I(v) ………...…28

2.2.1.1 Le courant d’obscurité ………...29

2.2.1.1.1 Le courant d’injection ……….……30

2.2.1.1.2 Le courant de génération- recombinaison ………..….32

2.2.1.1.3 Le courant tunnel ……….…..32

2.2.1.1.4 Le courant total d’obscurité ……….…..32

2.2.1.2 Le courant d’éclairement ……….…..32

2.2.1.2.1 Courant dans la région quasi-neutre N ………..33

2.2.1.2.2 Courant dans la région quasi-neutre P ………..34

2.2.1.2.3 Courant dans la région de déplétion ……….…..36

2.2.1.2.4 Le photocourant total ……….…….36

2.2.2 La réponse spectrale ……….…….36

2.2.2.1 Organigramme du calcul de la réponse spectrale ……….….38

2.3 Modélisation de la cellule solaire ……….……39

2.3.1 Le modèle idéale ………..……..39

2.3.1.1 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) théorique ………..…….41

2.3.1.2 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) expérimentale ………..…….43

2.3.2 Modèle tenant compte des pertes ohmiques………..…….44

2.3.2.1 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) théorique ………..…….48

2.3.2.2 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) expérimentale ………..…….50

2.3.3 Modèle tenant compte des pertes ohmiques et du courant de fuite ………..…....…51

2.3.3.1 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) théorique ………..…….56

2.3.3.2 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) expérimentale ………..…….58

2.3.4 Modèle à deux diodes ………...………..……...59

2.3.4.3 Organigramme du calcul de la caractéristique I(v) théorique ………...67

2.3.4.4 Organigramme de la Méthode de « Marquardt-Levenberg »………...………….69

2.4 Conclusion ………...…71

Chapitre 3 Effet de la température sur les différents paramètres de la cellule solaire 3.1 Introduction……….72

3.2 Effet de la température sur les paramètres physiques de la cellule solaire..………….72

3.2.1 Le gap énergétique ………72

3.2.2 La concentration intrinsèque ………72

3.2.3 Les masses effectives ……….73

3.2.4 Les durées de vie des porteurs ……….………..73

3.2.5 La mobilité……….73

3.2.6 La constante de diffusion ………..75

3.2.7 Le coefficient d’absorption ………75

3.2.8 Le coefficient de réflexion .……….76

3.3 Effet de la température sur les paramètres photovoltaïques de la cellule solaire…….77

3.3.1 Le courant de court circuit ………...77

3.3.2 La tension de circuit ouvert ……….…….77

3.3.3 Le facteur de forme ………..……..78

3.3.4 Le rendement énergétique ……….…78

3.4 Conclusion ………...79

Chapitre 4 Résultats et discussion 4.1 Introduction ...………..80

4.2 Acquisition de données sur PC ………80

4.3 Etude de l’effet de la température sur la réponse spectrale ……….………81

4.3.1 Description de la chaîne d’acquisition ……….…….81

4.3.1.1 Schéma bloc ………81

4.3.2 Test du programme ( La réponse spectrale expérimentale ) ………..….……….85

4.3.3 Modélisation de la réponse spectrale ………..….………86

4.3.3.1 Description de la cellule et les spectres utilisés ………...……..86

4.3.3.2 Résultats et discussion ……….…...……87

4.3.4 Effet de la température sur la réponse spectrale totale ………..……....…...89

4.4 Etude de l’effet de la température sur la caractéristique Courant-Tension sous éclairement « AM 0 » et « AM 1.5 » ……….92

4.4.1 Modélisation de la caractéristique courant tension ………..…...…92

4.4.1.1 Modélisation de la caractéristique courant tension selon le modèle idéal ………....92

4.4.1.1.1 Description de la cellule ……….……..……...92

4.4.1.2 Modélisation de la caractéristique courant tension selon le modèle qui tient compte des pertes ohmiques ……….…...94

4.4.1.2.1 Calcul de la résistance série ………95

4.4.1.3 Modélisation de la caractéristique courant tension selon le modèle qui tient compte des pertes ohmiques et du courant de fuite ………..……...97

4.4.1.4 Modélisation de la caractéristique courant tension selon le modèle à deux diodes ………..………..…..100

4.4.2 Choix du modèle pour la modélisation de l’effet de la température sur la caractéristique courant tension sous éclairement « AM 0 » et « AM 1.5 » ……….……...…103

4.5 Conclusion ………..…….…110

Conclusion générale ………..…...111

Bibliographie………..………..…113 Annexe A- Présentation du logiciel : RScellule-v2

Annexe B- Présentation du logiciel : FIVT.1.

Notations

n Facteur d’idéalité.

q Charge de l’électron = 1.6 × 10^-19 C.

T Température.

np Concentration des électrons dans la région P.

pn Concentration des trous dans la région N.

ni Concentration intrinsèque du silicium = 1.6 × 10¹⁰ cm^-3. Nd Concentration en impuretés donneurs.

Na Concentration en impuretés accepteurs.

Nc Densité effective dans la bande de conduction.

Nv Densité effective dans la bande de valence.

µL Mobilité due au réseau.

µI Mobilité due aux impuretés.

µc Mobilité due aux impuretés ionisées.

µe Mobilité des électrons.

µt Mobilité des trous.

Dn Constante de diffusion des électrons.

Dp Constante de diffusion des trous.

Ln Longueur de diffusion des électrons.

Lp Longueur de diffusion des trous.

τn Durée de vie des électrons.

τp Durée de vie des trous.

Sn Vitesse de recombinaison à la surface arrière.

Sp Vitesse de recombinaison à la surface avant.

α Coefficient d’absorption λ Longueur d’onde.

E Champ électrique.

Eg Gap énergétique.

Egd Gap énergétique directe.

Eph Energie du phonon . R Taux de recombinaison.

H Epaisseur de la cellule.

W Largeur de la zone de déplétion.

S Surface de la cellule.

Vd Tension de diffusion.

Vj Tension appliquée à la jonction.

me*

Masse effective des électrons.

mt*

Masse effective destrous.

Jn Densité de courant due aux électrons dans la région quasi neutre N.

Jp Densité de courant due aux trous dans la région quasi neutre P.

Jr Densité de courant de recombinaison.

Jt Densité de courant tunnel Jinj Densité de courant d’injection.

Jtot Densité de courant totale d’obscurité.

Jdr Densité de courant dans la zone de déplétion.

Jph Densité de courant due aux photons.

Iph Courant due aux photons.

I0 Courant de saturation.

RS Réponse spectrale.

Rs Résistance série.

Rp Résistance parallèle Rpv Résistance photovoltaïque.

Rch Résistance de charge.

FF Facteur de forme.

η Rendement énergétique.

Vco Tension de circuit ouvert.

Icc Courant de court circuit.

PPM Point de puissance maximale.

Pinc Puissance lumineuse incidente.

F Flux de photons incidents.

AM Air masse

Introduction générale

L'augmentation croissante de la population mondiale et l'explosion du développement industriel des pays industrialisés débouche sur une augmentation croissante des besoins énergétiques. A l'échelle mondial, la production actuelle en énergie est essentiellement basée sur des ressources dites "non renouvelables" telles que le pétrole, le gaz naturel, le charbon ou encore l'uranium. Une fois ces ressources épuisées (dans un futur pas trop loin), l'homme sera condamné à trouver d'autres alternatives pour produire cette énergie dont il s'est rendu dépendant.

Outre les effets nuisibles des ressources non renouvelables sur notre environnement (émanations de CO2 , réchauffement de la planète, pollutions radioactives, etc…), il est étonnant de constater à quel point l'être humain ne s'imagine pas que les ressources qu'il exploite actuellement ne sont pas disponibles en quantités illimitées.

On distingue actuellement plusieurs types de sources d'énergies renouvelables dont différents groupes dans les quatre coints du monde travaillent sur le développement des techniques d’exploitation : l'énergie hydroélectrique, l'énergie géothermique, l'énergie éolienne, l'énergie de la biomasse et l'énergie solaire. Pour profiter de cette dernière source, qui représente les immenses quantités d’énergie que la terre reçoit chaque seconde du soleil, les ingénieurs ont conçu des cellules photovoltaïques dont le fonctionnement se base, comme l'indique leur nom, sur l'effet photovoltaïque. Ces cellules permettent de produire une tension à leurs bornes et donc un courant si l'on y branche un appareil. Leur efficacité en termes de rendement leur permet, telle qu'elles sont utilisées à profit dans la production d'énergie, que ce soit pour la maison familiale où, à une échelle plus grande, de se présenter comme une alternative aux centrales thermoélectriques (que dispose notre pays), ou aux autres types de centrales (les nucléaires par exemple) dont on sait les dangers.

A part quelques inconvénients mineurs, comme par exemple le fait que l'énergie solaire n'est pas toujours "disponible" à cause des aléas du temps, c'est la source d'énergie la plus prometteuse.

Etant parfaitement propre et amicale vis-à-vis de l’environnement, inépuisable, elle constitue certainement, à long terme, le meilleur marché.

Parmi tous les matériaux pour les applications solaires qui sont utilisés dans le domaine du photovoltaïque, nous avons étudié les cellules solaires à base de silicium « Si ». Ce dernier possède l’avantage de bas prix et son abondance par rapport aux autres matériaux.

Le but principale de ce travail est d’étudier l’effet de la température sur la performance de la cellule solaire à travers deux types de méthodes de caractérisation qui sont la caractéristique courant tension et la réponse spectrale. Dans cette optique, nous avons élaboré un logiciel « RS- Cellule.V2 » pour l’acquisition expérimentale et la modélisation numérique de la réponse spectrale, ainsi qu’un autre logiciel « FIVT.1 » pour la modélisation de l’effet de la température sur la caractéristique courant tension selon les quatre modèles de la cellule.

Dans ce mémoire, le premier chapitre est consacré à la présentation de la conversion photovoltaïque ainsi que les différents matériaux et technologies photovoltaïques.

Dans le deuxième chapitre, on va aborder la physique fondamentale de la cellule solaire et les deux techniques de caractérisation : réponse spectrale et caractéristique courant tension avec un ensemble d’algorithmes et organigrammes qui expliquent les méthodes que nous avons utilisées et les étapes suivies pour élaborer nos programmes de modélisation.

L’effet de la température sur les différents paramètres physiques et photovoltaïques de la cellule sera étudié dans le troisième chapitre.

Dans le quatrième chapitre, les résultats obtenus par les deux programmes d’acquisition et de modélisation numérique sont présentés et commentés.

En fin, une conclusion générale couronne le mémoire.

1-1- Introduction

La lumière est une radiation électromagnétique ; elle a donc des caractéristiques à la fois électriques et magnétiques, et il était logique de tenter de la convertir en énergie électrique. La première découverte a été réalisée par le physicien français Edmond Becquerel, vers 1839, dans une expérience sur une cellule électrolytique composée de deux électrodes en métal placées dans une solution conductrice. Il observa donc que le courant électrique augmente quand la cellule électrolytique est exposée à la lumière [1].

En 1873, l’anglais Willoughby Smith constata que la résistance électrique d’un barreau de sélénium varie avec l’éclairement qu’il reçoit, il y a donc un lien entre la lumière et l’électricité.

Smith note le fait, mais aucune théorie ne permet encore de l’expliquer. Une quinzaine d’années plus tard, l’Allemand Wilhelm Hallwachs découvre que le rayonnement ultraviolet décharge une plaque de zinc chargée positivement et la charge négativement si elle est neutre. La lumière agit donc non seulement sur la résistance électrique de certains éléments mais aussi sur les charges électriques elles-mêmes.

Le processus montre un caractère discontinu, alors qu’on traite la lumière comme un phénomène ondulatoire continu. Pour les physiciens de l’époque, c’est une contradiction.

L’étude des rayonnements émis par un corps chauffé a mené Max Planck à introduire la notion de Quanta en 1897.

En 1905, Albert Einstein introduisit la notion de photon pour rendre compte de ces expériences (le photon est le grain d’énergie associé à la lumière ). En 1913, le danois Niels Bohr présenta son modèle de l’atome (un noyau fait de protons positifs et de neutrons neutres, autour du quel tournent des électrons négatifs ). Ce modèle permet enfin d’expliquer le processus photoélectrique.

Quand les photons de la lumière tombent sur les atomes d’un matériau, ils en bousculent les électrons qui se trouvent changés d’orbite ou même éjectés.

Comme le courant électrique est constitué par un mouvement de particules chargées, le déplacement des électrons correspond bien au phénomène de nature électrique provoqué par la lumière.

Tout fois, cette interprétation corpusculaire des choses pose un problème théorique redoutable qui ne sera résolu qu’en 1923 par Louis De Broglie avec la mécanique ondulatoire (la lumière est à la fois un phénomène continu sous son aspect ondulatoire et un phénomène discontinu sous son

aspect corpusculaire). Ces deux aspects sont complémentaires. Une fois les problèmes théoriques résolus, il ne reste qu’à tirer profit des processus photovoltaïques en pratique [2, 3].

En 1954, la conversion photovoltaïque fut réalisée pour la première fois par Chapin, Fuller et Pearson dans le laboratoire Belle sur une simple jonction « P-N » au silicium

.

1-2- Le spectre solaire

Le soleil est une étoile résultant de la condensation d’un nuage interstellaire sous l’effet de la gravité. Ce type de nuage est essentiellement composé d’hydrogène, d’hélium et, dans une moindre mesure, de carbone, d’azote et d’autres éléments [4].

A l’intérieur du soleil, une série de réactions nucléaires s’amorcent entre les noyaux d’hydrogène et conduisent à la formation de l’hélium. L’énergie dégagée par le cycle de ces réactions est transformée à 98% en lumière, c'est-à-dire en rayonnement électromagnétique qui va des ondes hertziennes aux rayons gama. La répartition de l’énergie de ces ondes en fonction des longueurs d’onde est donnée dans le tableau suivant :

Rayonnement Longueur d’onde (µm) Energie (eV) γ

X UV Visible IR Radio

10^-4 - 10^-8 10^-2 - 10^-4 0.39 - 10^-2 0.77 - 0.39 10³ - 0.77 10¹¹ - 10³

10⁶ - 10⁸ 10³ - 10⁶ 10 - 10³ 1 - 10 10^-3 - 1 10^-7 - 10^-3

Tableau 1.1- Répartition de l’énergie du rayonnement solaire en fonction de la longueur d’onde

Les 2% restants s’envolent sous forme de neutrinos [3]. L’intensité du rayonnement solaire au delà de l’atmosphère et à une distance moyenne terre-soleil se définit comme une constante solaire d’une valeur environ de 1353 [W/m²]. Dans l’espace, toujours, le spectre solaire est presque identique au spectre thermique du corps noir. Cependant, une variété d’effets se produit pour modifier le rayonnement qui frappe la surface de la terre.

D’abord, il y a la rotation de la terre autour de son axe qui est incliné d’un certain angle, ensuite, le mouvement orbitale autour du soleil qui mène à la variation saisonnière, la variation de l’angle d’incidence de la lumière et également du moment du jour [5].

En plus de ces facteurs géométriques, l’atmosphère, qu’on peut grossièrement diviser en 5 couches aux propriétés tout à fait différentes et distinctement séparées, atténue significativement l’intensité de la lumière du soleil quand elle la traverse. Les 5 couches de l’atmosphère sont :

 La troposphère ( 0 ÷ 10…15 Km / → -70 °C ) ;

 La stratosphère ( 15 ÷ 55 Km / → -70 °C ÷ +10 °C ), contient une mince couche d’ozone ;

 La mésosphère ( 55 ÷ 80 Km / → -80 °C ÷ +10 °C ) ;

 L’ionosphère ( 80 ÷ 700 Km / La température croit régulièrement 1500 °C / 300 Km ), contient les couches réfléchissantes pour les ondes radio ;

 L’exosphère au-delà de 700 Km.

L’essentiel des modification subies par le rayonnement solaire se fait dans la troposphère par diffusion, diffraction, absorption, réfraction par des gaz de température et de densité différentes.

La mince couche d’ozone dans la stratosphère à un rôle important dans l’absorption des rayons ultraviolets les plus durs.

Le degré d’affectation, par l’atmosphère, de la lumière du soleil reçue sur la surface de la terre est traduit par la notion « Air mass » qui représente la sécante de l’angle entre le soleil et le zénith.

Elle mesure donc la longueur de chemin atmosphérique relative à la longueur de chemin minimum [1-4].

Le spectre solaire en dehors de l’atmosphère de la terre est l’état de l’air de masse « 0 » - (AM0).

Une irradiation de (AM1) est trouvée seulement dans les régions équatoriales où le soleil arrive à être vertical à la terre. Même en Algérie, ce n’est possible qu’au plus sud du pays, jusqu'à une latitude terrestre de 23º. Si le soleil ne se trouve pas en direction verticale au dessus de la terre, la lumière doit suivre un chemin plus long que la hauteur de l’atmosphère [6].

2 2 2

2 2

h 1 r h

h r

h

m  s     (1.1)

Tel que :

 S- Longueur de parcours dans l’atmosphère

 - Angle d’altitude solaire

 h- Distance au dessous de l’atmosphère

 r- Projection de la longueur S sur la surface de la terre

La condition S = 2h (AM2) défini l’intensité d’irradiation qui reste après avoir passé deux fois l’atmosphère. De la même façon, on définit les intensités AM3,…AM10.

La figure (1.2) montre trois courbes liées à la radiation spectrale solaire qui est la puissance par unité de surface et par unité de longueur d’onde [4].

h

s _AM1,s=h

r

Fig. 1.1-Définition de l’air masse

AM 0



Fig. 1.2- Influence de l’atmosphère sur l’irradiation solaire

On distingue sur cette figure le spectre théorique d’un corps noir, le spectre solaire en dehors de l’atmosphère terrestre « AM0 » qui peut être utilisée pour les applications spatiales et le spectre solaire reçu au niveau de la mer. Les ondulations observées sur ce dernier spectre sont les effets d’absorption par les éléments chimiques indiqués sur la figure.

En somme, l’irradiation solaire dépend du lieu géographique sur terre (latitude φ) , du moment du jour, et de l’année et des conditions météorologiques qui diminuent l’intensité de l’irradiation globale.

1-3- Le corps noir

Un corps noir est, par définition, un corps idéal parfaitement absorbant pour la lumière et parfaitement émissif pour le rayonnement thermique.

Tous les photons sont absorbés en permanence quelle que soit leur longueur d’onde , et les photons réémis ont une distribution spectrale qui ne dépend que de la température des parois du corps noir, il obéit à la fois aux lois de Lambert , de Stefan et de Wien [7].

1-3-1- Réalisation

Un corps noir peut être réalisé à l’aide d’une enceinte vide et bien isolée de son environnement, qu’on porte à une température élevée par un chauffage interne. Notons que la sortie du rayonnement est la plus étroite possible pour ne pas perturber l’équilibre des photons à l’intérieure et que la surface interne est noire et rugueuse [6].

1-3-2- Calcul du rayonnement d’un corps noir sur la base des interactions entre l’irradiation et la matière

La matière est constituée par des particules qui sont caractérisées par leur énergie w. Un nombre n1 de particules a l’énergie w1, et un nombre n2 a l’énergie w2. Si la matière reçoit une irradiation d’énergie w, trois interactions sont possibles [6] :

1- La lumière relève une particule du niveau d’énergie w1 au niveau d’énergie w2.





Fig.1.3- Schéma de principe d’un corps noir

w n

dt A dn

1 12

1   

 (1.2)

2- Une particule du niveau d’énergie w2 descend au niveau d’énergie w1.

La différence d’énergie est récupérée sous forme d’un photon d’énergie : w = w2 - w1.

2

2 B n

dt

dn  

 (1.3)

3- Une particule du niveau d’énergie w2 tombe sur le niveau d’énergie w1 sous l’influence de la lumière, par conséquent, la lumière s’amplifie.

w n dt A

dn

2 21

2   

 (1.4)

Fig.1.4- Absorption induite

n1, w1

n2, w2

w

Fig.1.5- Emission spontané.

n1, w1

n2, w2

w

Sans énergie, aucune transition w1 → w2 ne peut se produire.

Du fait qu’il existe un équilibre entre le premier processus et les deux autres, on peut écrire [6] :



 dt

dn₁

dt

dn₂

 dt

dn₂

 (1.5)

w n

A n

B w n

A₁₂  ₁   ₂  ₂₁ ₂  (1.6) Sachant, d’après les statistiques de Boltzmann, que :



 

 

 kt

exp w

n₁ ¹ (1.7)



 

 

 kt

exp w

n₂ ² (1.8) h.ν

w w

w₂  ₁   (1.9)

Supposons que A₁₂  A₂₁ (processus similaires) alors :

 

kt 1 w exp w

C n 1

A n

B n

n A

n w B

1 2

2 2 1

1 2





 



 





 



 



 



  (1.10)

La loi des rayonnements du corps noir est donc [6] :

 

kt 1 exp hν

ν c

T 8 ν, w

3

3 



 



 

 h

(1.11)

Fig.1.6- Emission induite.

n1, w1

n2, w2

w w

1-4- Absorption de la lumière :

Le passage de la lumière par la matière est généralement caractérisé par un coefficient massique qui dépend de la longueur d’onde « λ ».

Pour les rayonnements ultraviolet, visible et infrarouge, le coefficient d’absorption α (λ) est défini par la diminution spatiale de l’intensité du rayonnement locale I(x) qui est proportionnelle à la valeur locale de l’intensité à la distance (x) [8]. On peut donc écrire :

α I dx

dI  

 (1.12)

Après intégration et normalisation à l’intensité extérieur :





I   (1.13) La loi d’absorption de Lambert est facilement obtenue :

 



 



I  ₀   (1.14)

Pour un matériau semiconducteur, le taux d’absorption des photons est lié directement aux énergies des photons incidents.

L’absorption n’a lieu que si l’énergie de ces photons est supérieure ou égale à l’énergie de la bande interdite du semiconducteur. Les photons qui ne satisfont pas cette condition ne seront pas absorbés et ne contribuent pas à la conversion photovoltaïque. Pour un semiconducteur directe (le GaAs, par exemple), le mécanisme d’absorption est le résultat de l’interaction entre deux particules seulement : photon – paire de porteurs de charge.

Pour un semiconducteur indirecte (Si, Ge, …), l’absorption des photons exige la présence d’un phonon avec un vecteur d’onde bien défini, donc trois particules participent à l’absorption : photon – paire de porteurs de charge – phonon.

1-5- Mécanisme de génération – recombinaison

1-5-1- Génération – recombinaison par transition directe bande à bande

Dans un cristal semiconducteur, la génération des porteurs correspond à la rupture des liaisons covalentes, c'est-à-dire, au passage directe des électrons de l’état lié à l’état libre.

Il est clair, dans ce cas, que les taux de génération pour les électrons et pour les trous sont les mêmes [9].

L’énergie nécessaire à ces transitions directes peut être fournie, par exemple, par une radiation de longueur d’onde appropriée, mais en l’absence d’excitation particulière de ce type, le processus est activé thermiquement, et la valeur commune des taux de génération ne dépend que de la nature du cristal et de la température.

Le mécanisme de recombinaison correspond, à l’inverse, au passage direct d’un électron de l’état libre à l’état lié, c'est-à-dire, la fusion d’une paire électron trou pour reconstituer une liaison.

L’énergie libérée se manifeste par l’émission d’un photon ou un dégagement de chaleur.

La nature de processus implique que les taux de recombinaison des électrons et des trous sont eux aussi les mêmes. Du fait que ces recombinaisons s’effectuent par paires, on peut admettre que la valeur commune des taux de recombinaison est proportionnelle à la fois à la concentration d’électrons libres et à celle des trous.

1-5-2- Génération – recombinaison par centres recombinants

Les processus directs « bande à bonde », qui se déroulent effectivement dans tout cristal semiconducteur, sont en fait très souvent masqués par des processus de génération – recombinaison plus intenses qui mettent en jeu des impuretés et défauts inévitablement présents dans tout cristal réel.

Aux diverses imperfections du matériau qui rompent la périodicité du réseau cristallin, peuvent être associés dans la bande interdite des niveaux d’énergie discrets occupables par les électrons.

Ces niveaux sont fondamentalement de même nature que les niveaux donneurs ou accepteurs qui sont associés aux impuretés dopantes et jouent effectivement le même rôle .

Fig.1.7- Génération Recombinaison par transition directe Bande à bande.

Ev Ec

G R

Cependant, certains se distinguent dans un diagramme d’énergie par leur relatif éloignement du bas de la bande de conduction comme du sommet de la bande de valence [9]. Cette situation leur permet d’interagir facilement avec les deux bandes et d’offrir ainsi aux électrons des étapes dans leurs transitions. Le rôle de ce type d’impuretés ou de défauts est alors celui de « centre recombinants ».

La figure ci-dessous illustre les échanges qui peuvent se produire entre les niveaux recombinants et les électrons de valence ou de conduction.

a- capture d’un électron.

b- émission d’un électron.

c- émission d’un trou.

d- capture d’un trou.

1-5-3- Génération – recombinaison AUGER

Lorsqu’on soumet un cristal semiconducteur à un flux de photons ou d’électrons avec une énergie cinétique suffisante, le photon ou l’électron incident peut créer une paire électron trou.

Lorsqu’un deuxième électron se recombine avec le premier trou, l’énergie cinétique ainsi gagnée est transférée à un autre électron (trou) qui dit électron (trou) Auger. Ce processus est intrinsèque et ne nécessite pas la participation de défauts ou impuretés [10].

Fig.1.8- Génération Recombinaison par centre recombinants Ev

Ec

Er

a b

c d

1-6- Effet photovoltaïque et mécanisme de conversion

L’effet photovoltaïque est la transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique. Le dispositif qui permet cette transformation est la cellule photovoltaïque. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants :

1- Absorption des photons, dont l’énergie doit être supérieure ou égale au gap énergétique du matériau constituant le dispositif ;

2- Conversion de l’énergie du photon incident en énergie électrique, ce qui exige que le matériau doit posséder deux ensembles de niveaux énergétiques, les uns conducteurs les autres non conducteurs pour permettre la création des paires électron trou ;

3- L’exploitation de l’effet photovoltaïque implique la création d’une véritable « pompe à électrons » qui sans elle, en effet, l’électron se recombine très vite avec un trou, et par conséquent, aucune électricité n’est produite, car rien ne peut circuler de façon globale [12].

Pour entretenir cette circulation, il faut donc une structure de collecte efficace.

Fig.1.9- Génération Recombinaison Auger [11].

a- Excitation au niveau K

b- Désexcitation par émission d’un électron Auger

L3 L2 L1

K

L3

L1

K

h ע Electron Auger

-a- -b-

L2

1-7- Description de la structure d’une cellule solaire

L’élément de base de toutes les structures utilisées pour la conversion photovoltaïque est la jonction « P – N ». Elle est le siège de la génération des porteurs et de leur séparation par le champ électrique interne. La figure ci-dessous illustre la structure et le fonctionnement d’une cellule solaire de type jonction « N – P ».

Quand la lumière du soleil traverse le verre, qui protège la structure contre l’environnement, et l’adhésif, elle rencontre une couche antiréflexion transparente dont le rôle est de réduire au minimum la réflexion de la lumière frappant la cellule qui fait disparaître une partie importante de l’énergie exploitable.

Fig.1.10- Structure et fonctionnement d’une cellule solaire à base d’une jonction N-P

H xj

w

H’

Région de type N

Région de type P

photons Contact

ohmique avant

Contact ohmique arrière

Couche anti- réflexion

Gap énergétique

Barrière de potentiel

distance Energie

P

N ZCE

Ec

Ev Ef

Xj Xj+w H

0 photons

La lumière transmise à travers la couche antireflet rencontre la jonction constituée d’une zone de faible épaisseur dopée avec des donneurs ; c’est l’émetteur (type N), et une base épaisse dopée avec des accepteurs (type P). Entre ces deux régions, un champ électrique se forme comme conséquence de la diffusion des charges mobiles ainsi qu’une zone dépeuplée de charges à l’interface métallurgique.

Les photons incidents créent des porteurs de charge dans chacune de ces trois régions. Le comportement de ces porteurs diffère selon le lieu de leur création.

Dans les zones neutres des régions N et P, les photo-porteurs minoritaires diffusent, et ceux qui atteignent la région de charge d’espace seront propulsés par le champ électrique vers la région ou ils deviennent majoritaires.

Dans la zone de charge d’espace, les paires électron–trou créées par les photons sont dissociées par le champ électrique interne. Les électrons sont propulsés vers la région de type N, et les trous vers la région de type P. Ce sont donc les porteurs minoritaires qui contribuent à l’augmentation du courant [13].

Le transfert des porteurs et l’accumulation des charges électriques des deux cotés opposées de la cellule mènent à l’apparition d’un photovoltage qui réduit le potentiel intrinsèque.

Si le front et le bas de la cellule ne sont pas connectés par un conducteur, la différence du potentiel entre eux est définit comme tension de circuit ouvert (Vco). Lorsque les deux cotés N et P sont connectés entre eux au circuit externe de résistance nulle, le courant photo généré est référé comme courant de court circuit (Icc) [14].

1-8- Matériaux et technologies photovoltaïques

En vue de convertir l’énergie solaire en électricité à un bon rendement et à un faible coût du KW, de nombreuses nouvelles technologies ont été utilisées et plusieurs matériaux ont été exploités à cause de leurs propriétés optoélectroniques. Nous trouvons actuellement des composés binaires, ternaires et même quaternaires.

1-8-1 Photopile au silicium

La fabrication des cellules à base de silicium d’une performance raisonnable exige des substrats de silicium, de qualité électronique, mono ou poly cristallins .

La technique principale pour préparer le silicium cristallin est la méthode de Czochralsky. Un

silicium fondu. La vitesse de tirage est de l’ordre de 10 [cm/h] et le diamètre des lingots, paramètre le plus important du point de vue économique, peut aujourd’hui atteindre 12 pouces (30 cm) pour 1 mètre de longueur et un poids de 160 [Kg].

Par ségrégation naturelle entre phases solide et liquide, les impuretés tendent à se concentrer dans le silicium fondu [15].

L’oxygène du creuset est incorporé comme impureté à la croissance du cristal. Le carbone est également présent à partir des éléments de chauffe.

L’utilisation de la technique d’emprisonnement magnétique a induit une amélioration récente dans la microélectronique. En plaçant des aimants forts autour du creuset, la convection de fonte peut être commandée. Le silicium fabriqué par cette méthode est utilisé pour la fabrication des cellules de très haute qualité dont le contrôle de l’oxygène, le carbone et les défauts est le meilleur possible [16].

La technique de la zone flottante est une autre méthode utilisée pour fabriquer le silicium cristallin. Un lingot polycristallin et un germe monocristallin sont nécessaires ; le premier étant disposé au-dessous du second , et l’interface entre les deux étant fondue par des bobines de chauffage coulissantes qui repassent plusieurs fois pour répéter l’effet de ségrégation par la phase liquide aussi longtemps que nécessaire [15].

Lingot de silicium monocristallin

Fig.1.11- La méthode de Czochralsky

Creuset de graphite

Silicium fondu Bobine de chauffage

Tube de quartz

Le taux d’oxygène et de carbone dans le silicium résultant est très faible par rapport à la méthode d’emprisonnement magnétique et les cellules fabriquées à base de silicium fabriqué par cette méthode sont de très haute qualité [16].

Les techniques présentées ci-dessus ont été, à l’origine, développées pour la microélectronique.

D’autres produisant des lingots de silicium polycristallin ont été développées spécialement pour le photovoltaïque ; ces techniques sont basées sur la solidification lente du silicium fondu dans des creusets (voir la figure (1.13)).

La matière du creuset est généralement le graphite ou le quartz enduit d’une couche de nitrure de silicium ou de la silice en céramique.

Fig.1.13- bâti de lingot multicristallin

Silicium Moule

Fig.1.12- Schéma de la méthode ZF

Lingot polycristallin

Bobine mobile de chauffage

Zone fondue

Germe monocristallin

Direction de déplacement de la bobine

Le silicium fondu est refroidi à partir du fond ou des murs du creuset. Les équipements de cette technique sont plus simples est moins coûteux. Les lingots sont plus grands avec une coupe carré plus idéale .

Après le processus de croissance, le silicium peut être scié selon plusieurs formes géométriques, généralement selon des lingots cylindriques. Ces lingots sont sciés sous forme de plaquettes

« Wafers » par une lame mince.

Une fois les plaquettes monocristallines ont été obtenues, l’étape suivante est la réalisation d’une structure de collecte. Plusieurs techniques peuvent être employées. La technique la plus répondue est la diffusion thermique à l’état solide. Le procédé courant de cette méthode consiste à chauffer les plaquettes de silicium en présence d’un dopant, soit dans des fours statiques à tube en quartz, soit dans des fours tunnel à passage.

Le mécanisme de diffusion est régi par la loi de Fick ; A une dimension, on aura l’équation :

2 2

x

D c

t c



 

 

 (1.15)

où c





La constante de diffusion « D » dépend de la température suivant la loi [15]:



 

 



 kt

exp E D

D ₀ (1.16)

Typiquement, une valeur de 10^-15 [cm²/s] de la constante de diffusion dans le silicium est obtenue :

 à 975°C pour l’arsenic

 à 950°C pour le phosphore

 à 890°C pour le Bore

 à 815°C pour l’Aluminium

Deux cas sont d’intérêt pratique :

a)- La source est limitée : Si l’on désigne par S la quantité totale d’impuretés déposée à la surface de la plaquette, on aura une répartition gaussienne :

 



 







 4Dt

exp x πDt

t s x, c

2

(1.17)

Le dépôt de la couche dopante peut s’opérer de plusieurs manières : - « C V D » à l’entrée du four

- « Spin – on » de silice dopée au phosphore.

- Spray d’acide phosphorique (H3 PO₄)

- Sérigraphie d’une pâte dopée au phosphore (P2O5) puis en recuit sous atmosphère neutre d’argon ou d’azote à 900ºC pendant 20 minutes.

b) – La source est saturée : Si la concentration superficielle est constante, on aura une distribution légèrement différente :

 



 



 

 2 Dt

erfc x c

t x,

c _s (1.18)

C’est en générale ce que l’on obtient quand la source d’impuretés est sous forme gazeuse, comme la phosphine (PH3) [16].

Le processus de traitement de la cellule est accomplit par la métallisation des surfaces avant et arrière. Une pâte argentée composé d’une suspension de particules fines d’Argent et d’une fritte de verre (25 % Ag, 5 % Fritte) dans un milieu organique ainsi que des reliures appropriées est serré par une maille examinante modelée sur la surface de la cellule. En suite, la pâte est séchée à basse température, puis la température est élevée pour chasser les produits organiques restants et pour permettre la fusion des régions argentées. La fritte de verre est importante en favorisant l’adhérence au substrat du silicium. La pâte de la surface supérieure est imprimée sous forme de doigts pour minimiser au maximum les pertes résistives et pour permettre une bonne pénétration au rayonnement dans la cellule.

Souvent, des petites quantités d’aluminium sont ajoutées à la pâte utilisée sur la surface arrière pour obtenir une région fortement dopée de type P (back-surface-field) [17].

D’une façon générale, une couche de bioxyde de titane (TiO2) est employée comme couche antiréflexion à cause de la simplicité de préparation et de son indice de réfraction presque idéale.

Un traitement similaire est appliqué aux plaquettes de silicium polycristallin. Cependant, la couche antiréflexion est obligatoire pour les cellules à base de silicium polycristallin.

1-8-2- Cellules à très haut rendement

La cellule PERL « Passivated Emitter, Rear Locally Diffused », représentée schématiquement sur la figure (1.14), est conçue avec le souci de passiver au maximum les surfaces avant et arrière. Les contactes ne se réalisent que de façon très ponctuelle à travers des zones surdopées.

La partie très dopée de l’émetteur est minimisée en volume de façon à diminuer la vitesse de recombinaison. Les pyramides inversées de la face frontale réduisent les pertes par réflexion d’une part et d’autre part agissent comme réflecteur de la lumière réfléchie par le contact arrière.

Un rendement de 24.2 % a été atteint avec ce type de cellule [15].

1-8-3-Photopile au silicium poly cristallin

Dans un polycristal, les cristaux d’orientation et de dimensions variables sont séparés les uns des autres par des zones perturbées que l’on appels joints de grains. Ces derniers agissent comme des pièges pour les porteurs minoritaires. Donc ils diminuent le photocourant, mais si les grains sont orientés en structures colonnaires, on peut espérer une photopile de bonne qualité.

Pour cela, il faut que les conditions suivantes soient satisfaites [18] :

 La hauteur du grain doit être égale à l’épaisseur du ruban.

Fig.1.14- La cellule PERL

Métallisation

Oxyde de passivation Pyramides

inversées

Base P-Si Oxyde de passivation

Emetteur n

Contact arrière

 Les dimensions latérales doivent être au moins égales à la longueur de diffusion.

 Un traitement convenable pour réduire la recombinaison sur les bords des grains.

Le rendement de ces photopiles peut atteindre 12% [18].

1-8-4- Photopile au silicium amorphe

Les matériaux amorphes font l’objet d’études approfondies depuis longtemps en raison de leur réalisation relativement facile et peu coûteuse. Dans le silicium amorphe, on compte jusqu'à 10²¹ [cm^-3] liaisons non satisfaites (ce qui n’existe pas dans le silicium cristallin) et une conséquence de ces liaisons coupées est l’existence dans la bande interdite d’une distribution de densité d’états.

La mobilité et la durée de vie tendent vers zéro et l’effet de dopage est négligeable.

Dans le cas du silicium amorphe hydrogéné où les teneurs en hydrogène vont de 15% à 40%, les états localisés dans la bande interdite disparaissent à cause de la présence de l’hydrogène qui compense les liaisons coupées et réduit la densité des défauts. Ce matériau est très photoconducteur.

Avec ce type de matériau peu coûteux par rapport aux autres formes de silicium, on a de faibles rendements (5 à 8 %) et des problèmes de stabilité apparaissent rapidement quand on l’expose au soleil et aux intempéries (quelques centaines d’heures) [19-20].

Cependant, des améliorations ont été apportés à partir de travaux en laboratoire ; on obtient de meilleurs résultats en stabilisant le silicium en empilant des couches insérées entre deux feuilles de verre. La durée de vie est ainsi augmentée comme le rendement qui peut grimper jusqu’à 11%

[20].

Zone N Zone P

Fig.1.15.b- Polycristal avec structure colonnaire orienté

Fig.1.15.a- Polycristal

Il existe plusieurs méthodes pour la préparation du silicium amorphe hydrogéné. Les plus utilisées sont les trois suivantes :

a- Décomposition thermique du silane ( SiH4 ) : Dans cette technologie, le silicium est produit directement sur une plaque de verre à partir du gaz silane (SiH4) (qui apporte la matière). En fait, les plaquettes de verre sont placées dans une enceinte chauffée où l’on fait le vide, puis du silane est injecté et décomposé sous l’effet de la haute température ; le silicium libéré se dépose alors sur les plaquettes. La présence d’hydrogène est également nécessaire pour la qualité du matériau (il limite le nombre de défauts en saturant les liaisons pendantes de silicium présentes à cause de la structure désordonnée). L’adjonction des dopants est réalisée par ajout de gaz (PH3) ou (B2H6) au silane. [21]

Les deux autres méthodes sont :

b- Décomposition du silane par décharge radiofréquences c- Pulvérisation cathodique réactive

1-8-5- Cellules à jonctions multiples

La contrainte de la dégradation sous lumière a poussé les chercheurs et les industriels à trouver des astuces dans l’architecture du dispositif pour minimiser cet effet. Les cellules à jonctions multiples, en plus de leur rendement étendu dans le rouge, répondent à ce souci ; en effet, on y multiplie le nombre de jonctions avec des matériaux à gap légèrement différent tout en réduisant l’épaisseur de chacune. Les difficultés à surmonter sont [15] :

1- Un bon appariement des courants, puisque c’est la cellule la plus mauvaise qui va imposer son courant.

2- Des interfaces fortement recombinantes, le plus souvent réalisées avec du silicium microcristallin.

1-8-6- Photopiles en films minces

La faible consommation de matière, l’élaboration directe du matériau par les techniques de dépôt usuelles sur un matériaux support de faible coût comme le verre, l’acier, céramique, silicium métallurgique ou un polymère sans avoir besoin d’autres étapes de mise en forme coûteuse comme le sciage, font de la technologie en couche mince une solution particulièrement attractive pour les cellules photovoltaïques.

Pour avoir une cellule couche mince, il faut de préférence utiliser des semiconducteurs ayant une bande électronique interdite directe et de valeur adaptée au spectre solaire de l’ordre de 1.5 [ev] . Si l’épaisseur de la couche semiconductrice est plus grande que l’inverse du coefficient d’absorption, la plupart de la lumière incidente sera absorbée. Si la longueur de diffusion est plus grande que l’épaisseur du film, la plupart des porteurs photo générés seront rassemblés [4].

De très nombreux efforts de recherche ont donc été entrepris sur un assez grand nombre de matériaux, depuis une quarantaine d’années, afin d’arriver à des cellules photovoltaïques en couche mince possédant à la fois, un bon rendement de conversion et un faible coût.

Historiquement deux matériaux ont été particulièrement étudié et ont fait l’objet d’une industrialisation : le silicium amorphe et le tellurure de cadmium (CdTe), tous deux déposés sur verre. Le rendement maximum de ce type de cellules pour des tailles significatives, reste malheureusement limité. Ceci tient à la difficulté d’obtenir ce type de matériaux avec une faible densité de défauts et, par là, de bonnes propriétés électroniques.

Fig.1.16- Cellules à jonctions multiples à deux fils avec :

En a) même gap ; b) gaps différents et superstrat en verre ; c) gaps différents et substrat en acier inox

a-Si :H

b c

a-Si :H a-Si :H

a-Si :H

a-Si :Hl-xGex a-Si :Hl-xGex

a-Si :H a-Si :H verre

aluminium

verre

aluminium Acier inox

SnO2 P i1 N P

I2 N P

I1 N

a

SnO2 P I1 N P I2 N

Le silicium amorphe soufre de plus d’un effet de vieillissement lié à l’instabilité de l’hydrogène dans sa structure due aux effets de surface et aux réactions chimiques avec le milieu extérieur (H2O, CO2, …) [4].

Pour le (CdTe), la présence du cadmium qui est un métal lourd de toxicité comparable à celle du mercure rend le (CdTe) relativement inapproprié à une application grand public.

Récemment, des avancées remarquables ont été obtenues sur un autre type de matériaux, les chalcopyrites, avec comme référence le diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2) ou (CIS).

Cette filière est devenue donc rapidement la filière couche mince de référence [21].

Le champ de recherche sur ces matériaux couches minces reste relativement ouvert. Toute la gamme des matériaux possibles n’a pas été étudié en détail. De nombreux efforts sont encore nécessaires pour obtenir une mise en œuvre assurant à la fois le coût minimum et le rendement maximum.

1-8-7- Photopile à base de « GaAs »

L’association de (GaAs) sur un substrat d’aluminium peut se révéler supérieure aux solutions tout silicium. En effet, le gap important de 1.43 [ev] permet l’emploi à des températures notablement supérieures à l’ambiant, ce qui n’est pas le cas du silicium. Le rendement de ce type de cellules est supérieur à 20 % [22]. La principale limitation des performances tient à la grande vitesse de recombinaison des porteurs en surface.

Trois techniques sont développées pour tenter de réduire ce phénomène et ainsi d’augmenter encore le rendement [22].

1- Une couche mince ternaire de (Ga Al As) à fort teneur en (Al) est épitaxié sur une homojonction (GaAs). Les photons d’énergie inférieure à la bande interdite du composé ternaire sont absorbés uniquement dans la couche (GaAs).

2- On peut réaliser une homojonction dont la couche avant est de quelques dizaines de nanomètres seulement, ce qui entraîne la génération de porteurs dans la zone désertée et leur collecte presque intégrale.

3- On peut réaliser un gradient de dopage qui produit un champ électrique interne entraînant les porteurs minoritaires vers la jonction et réduisant de ce fait les recombinaisons en surface.

On dépose un autre semiconducteur sur le silicium de façon à former une hétéro jonction.

On s’arrange pour que l’essentiel du processus photovoltaïque soit dans le silicium. Les matériaux envisageables pour cette utilisation doivent posséder les propriétés suivantes :

1- Transparence pour le spectre solaire, (Eg > 3 eV).

2- Conductivité électrique élevée pour faciliter et éventuellement remplacer la métallisation des contacts ohmiques.

3- Créer une barrière de potentiel élevé.

4- Posséder un indice de réfraction voisin de « 2 » pour jouer le rôle d’une couche anti- réflexion.

Deux matériaux remplissent ces conditions, l’oxyde d’étain (SnO2) et l’oxyde d’indium (In O3).

Les rendements sont compris entre 10 et 12 % [21].

1-8-9- Cellule solaire de type Schottky

Le dépôt d’un métal convenablement choisi en couche mince sur le silicium conduit à des cellules de type Schottky . Le diagramme énergétique de ce type de cellules sous illumination est montré sur la figure suivante :

Fig.1.17- Cellule solaire de type Schottky Métal

Ef s/c - P

hυ

q×Φb

w

La couche métallique doit être très mince pour permettre à la lumière d’atteindre le semi- conducteur. Le photo-courant résultant a trois composantes. En effet, la lumière d’énergie « h υ

> q×ΦB » peut être absorbée dans le métal et excite des trous au-dessus de la barrière dans le semiconducteur. Les rayonnements de courtes longueurs d’onde sont absorbés dans la région de déplétion dans le semiconducteur et ceux de longues longueurs d’onde sont absorbés dans la région neutre, créant des paires électron – trou comme dans la jonction « P-N » [4].

Les avantages de la jonction Sckottky sont :

1- Traitement à basses températures (aucune diffusion à haute température n’est exigée).

2- Adaptation au silicium polycristallin et aux piles solaires en couches minces.

3- Résistance élevée aux radiations due au champ électrique élevé prés de la surface.

4- Fort courant de charge et bonne réponse spectrale.

1-8-10- Cellule solaire de type structure MIS

Dans ce type de cellule, un film isolant très mince 0.2 [nm] est formé entre le métal et le substrat semiconducteur. L’isolant est obtenu soit par oxydation superficielle du silicium (thermiquement ou chimiquement par le (NO3H) ), soit par dépôt de (SiO2) en atmosphère contrôlée. Puisque l’oxyde peut être formé à basses températures et aucun procédé de diffusion n’est impliqué,on s’attend à ce que cette structure fabriquée sur des substrat polycristallins ou amorphes fournisse une solution rentable pour des applications terrestres.

Un rendement de 18 % et obtenu par cette structure dans la condition AM1 [4].

Fig.1.18- cellule solaire de type structure MIS.

Aluminium SiO2

1000A°

SiO2 20-30 A°

250µm

Si- P

1-9- Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons rappelé quelques notions de base relatives au rayonnement solaire, telles que le spectre solaire et les mécanismes de leur interaction avec les matériaux semi-conducteurs comme l’absorption, la génération et la recombinaison des porteurs de charges.

Cette initiation, d’après la littérature, est nécessaire pour bien comprendre le mécanisme de la conversion photovoltaïque que nous avons présenté par la suite.

On a décrit aussi la structure de notre cellule objective, c’est-à-dire la structure « N-P » qui est la structure la plus simple.

En fin, on a cité quelques types de structures et matériaux utilisés également pour la conversion photovoltaïque et quelques techniques de préparation avec plus de détail sur le matériau le plus abondant et le plus utilisé dans le monde : le silicium.

Chapitre 2 Les caractéristiques électriques d’une cellule solaire de type jonction N-P 2-1- Introduction

Il existe deux techniques électro-optiques importantes pour caractériser les piles solaires.

La première technique de mesure employée consiste à mesurer la caractéristique I(V) dans la lumière blanche. La deuxième consiste à mesurer la réponse spectrale dans la lumière monochromatique [6-24].

Le présent chapitre sera consacré à ces deux techniques en donnant les équations physiques qui régissent le fonctionnement de la cellule solaire et les organigrammes des programmes que nous avons développés pour modéliser ces deux techniques.

2-2- Caractérisation de la cellule photovoltaïque

2-2-1- La caractéristique I (V)

La mesure de la caractéristique I(V) d'une cellule solaire permet de déterminer le courant en fonction de la tension pour une illumination donnée. Cette mesure s'effectue sous un simulateur solaire dont le spectre d'illumination est contrôlable.

La caractéristique I(V) est d’une grande importance, parce qu’elle caractérise la cellule solaire comme générateur de puissance. Dans le cas d’une jonction idéale, elle est donnée par l’expression:

 

kT exp qv I

v

I  



 



  



 



 



Où :

 I ₀ : le courant de saturation ;

 I_ph le courant de court circuit fournit par la lumière ;

 

 



 



 



  1

kT exp qv

I₀ : le courant circulant dans l’obscurité.

La Figure (2.1) représente une courbe typique d’une cellule simple, ainsi que les paramètres les plus importants découlant de cette courbe qui sont :

- Le courant de court circuit Icc ;

- La tension en circuit ouvert Vco ;

- Le point de puissance maximale PPM (Im , Vm).

Si ce dernier point est connu, on peut calculer deux facteurs importants :

 Le facteur de forme « FF » qui compare la puissance maximale possible avec les limites Icc et Vco.

co cc

m m

co cc

m ax

V I

V I

V I

FF P



 

  (2.2)

 Le facteur de conversion de l’énergie optique de la lumière en énergie électrique connu sous le nom « rendement énergétique η ». Il est défini comme le rapport entre la puissance électrique résultante et la puissance optique incidente.

inc

c o c c

P

V I

η FF 

 (2.3)

Il devient évident qu’afin d’obtenir une efficacité de conversion plus élevée, il faut se placer dans des conditions qui rendent les paramètres Vco, Icc, FF maximums.

2-2-1-1- Le courant d’obscurité

Du fait que la cellule solaire dans l’obscurité est une jonction polarisée en directe, les Vco

Vm

V

I Im

Icc

PPM

Fig.2.1- la caractéristique I(V) d’une cellule solaire sous éclairement