Soutenance mémoire
La différence de potentiel dans un matériau semi-conducteur sous l’influence d’une radiation lumineuse, découverte vers 1839 par A. C. Becquerel a connu un véritable intérêt avec la crise pétrolière de 1973-1974[1,2]. Tout dispositif physique soumis à un rayonnement et susceptible d’impliquer directement une conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique sans mécanisme intermédiaire est appelée cellule photovoltaïque. Les dispositifs photovoltaïques sont formés d’une couche d’un matériau semi-conducteur : silicium (amorphe, poly ou monocristallin), d’arséniure de gallium ou matériau en couches minces d’une jonction semi conductrice, de polyparaphénylène ou polymères organiques conducteurs qui constituent la nouvelle classe de matériaux photovoltaïques [3,4].
La recherche permanente sur les dispositifs photovoltaïques continue d’améliorer leur performance tout en diminuant leur coût de fabrication. Le silicium, à jonction p-n ou n-p, dans laquelle règne un champ électrique intense séparant les charges photocrées dans la base ou dans l’émetteur par la lumière, est le plus utilisé. L’utilisation du silicium comme substrat semi-conducteur dans la confection des cellules fait l’objet d’une attention particulière à cause de la richesse du gisement et d’une technologie de fabrication assez maîtrisée et demeure ainsi celle qui a connu à l’échelle industrielle un réel développement.
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
L’élément actif d’une cellule photovoltaïque est le semi-conducteur qui absorbe la lumière, en créant des paires électrons – trous qui doivent être séparées par un champ électrique très intense situé au niveau de la jonction. Les propriétés électriques et photovoltaïques des jonctions n-p semi-conductrices sont principalement régies par les porteurs minoritaires en excès. La détermination des grandeurs caractéristiques de ces porteurs comme la durée de vie ou la longueur de diffusion permet de contrôler la qualité du matériau utilisé pour fabriquer les cellules solaires et de prévoir leur rendement de conversion. Plusieurs méthodes ont été développées dans le but de comprendre la nature et les effets de ces imperfections à travers les paramètres de recombinaison des porteurs minoritaires de charge en excès. Nous décrirons successivement les techniques qui régissent le fonctionnement de la cellule photovoltaïque et plus particulièrement celles qui concerne la cellule photovoltaïque à base de silicium.
Etude à une dimension d’une cellule verticale à jonction multiples
Dans cet article [18], les auteurs présentent une étude des paramètres de la cellule à jonction verticale dans un modèle à une dimension simple .
Leur avantage résulte d’une part du fait qu’on peut doper fortement l’émetteur et la base afin d’augmenter le rendement sans entraîner une forte réduction des porteurs photogénérés par recombinaison. Pour obtenir un bon rendement des photopiles conventionnelles, il faut un fort taux de dopage en impuretés, ce qui peut aussi freiner la diffusion des porteurs en excès photocrées. Ces recombinaisons sont plus accentuées lorsque nous avons de faibles longueurs de diffusion des électrons. Ces pertes peuvent être réduites avec les photopiles à jonction verticale en réduisant la distance entre les jonctions de sorte qu’elle soit plus petite que la longueur de diffusion. Pour une modélisation simple des paramètres de la photopile, les auteurs émettent les hypothèses suivantes :
• Pas de recombinaisons à la face avant et en face arrière.
• Pas de réflexion sur les surfaces.
• Les recombinaisons à la zone de charge d’espace sont négligeables.
• Le taux de génération est fonction de la profondeur z, une diffusion unidirectionnelle des porteurs minoritaires en excès est considérée. Cela leur permet de faire une modélisation simple des paramètres de la photopile.
L’étude bibliographique montre qu’en régime dynamique fréquentiel, la longueur de diffusion, le coefficient de diffusion et la durée de vie des porteurs, ainsi que leur vitesse de recombinaison, peuvent être déterminés par les techniques basées sur l’excitation électrique ou optique. Cette étude bibliographique présente l’effet du champ magnétique, en régime dynamique, sur les paramètres électriques d’une photopile telle que : impédance dynamique, résistances, capacité est présenté. Une approche de l’étude des photopiles à jonction verticale a été présentée.
Dans la suite, nous présentons l’étude du rendement quantique interne d’une photopile au silicium pollycristallin à jonction verticale, en modulation de fréquence, à trois dimensions. Ceci nous permet de montrer les effets de :
❖ la vitesse de recombinaison aux joints de grain,
❖ la taille du grain,
❖ la fréquence de modulation sur le rendement quantique interne et sa phase.
ETUDE DU RENDEMENT QUANTIQUE INTERNE
Description de la photopile
La photopile est constituée de trois parties essentielles :
❖ Une zone dopée en atomes donneurs avec un taux de dopage variant de 10¹⁷ à 10¹⁹ atomes/cm3 et dont l’épaisseur est faible (environ 1 µm), c’est l’émetteur de la photopile où les porteurs minoritaires sont les trous.
❖ Une seconde zone dopée en atomes accepteurs avec un faible taux de dopage variant de 10¹⁵ à 10¹⁷ atomes/cm3 , mais dont l’épaisseur est beaucoup plus significative (pouvant atteindre 400 µm), c’est la base (de type p) où les porteurs minoritaires sont les électrons.
❖ Entre ces deux zones se trouve la jonction ou zone de charge d’espace où règne un champ électrique qui permet de séparer les paires électrons – trous photocrées pour leur participation au photocourant. [2, 20].
❖ La métallisation permet la collecte des porteurs de charges au niveau de chaque jonction.
Sf, Sb, Sg, Sav, Sar étant respectivement les vitesses de recombinaison à la jonction, aux joints de grains, à la face incidente et à face arrière par rapport à l’éclairement. Rch est la résistance de charge, il définit le point de fonctionnement de la photopile.
Fonctionnement de la photopile
Lorsque la photopile est éclairée, elle absorbe des photons incidents d’énergie supérieure ou égale à celle du gap du matériau semi-conducteur constituant la photopile. Chaque photon absorbé donne naissance à une paire d’électron – trou ; ces porteurs de charge sont séparés par un champ électrique permanent et indestructible [2].
Dans ce modèle à trois dimensions, nous avons considéré que :
● La contribution de l’émetteur est négligée [9].
● L’épaisseur de l’émetteur est négligeable devant celle de la base.
● La base est éclairée parallèlement à la jonction avec une lumière monochromatique, qui engendre une photocréation de porteurs minoritaires de charge.
|
Table des matières
Introduction générale
I. Etude bibliographique
I.1.Introduction
I.2.Détermination simultanée de la longueur de diffusion, de la durée de vie et du coefficient de diffusion des porteurs de charge en modulation de fréquence
I.3.Etude théorique de la photopile bifaciale sous éclairement monochromatique en régime dynamique fréquentiel
I.4.Détermination des paramètres électriques d’une photopile bifaciale par la méthode d’impédance spectroscopique
I.5.Influence des paramètres de la cellule solaire sur le changement de phase
I.6.Cellule à jonction verticale
I.7. Cellule solaire au silicium ’’lamella’’
I.8. Etude à une dimension d’une cellule verticale à jonction multiples
I.9.Conclusion
II. Etude du rendement quantique interne
II.1.Introduction
II.2.Présentation
II.2.a.Description de la photopile
II.2.b.Fonctionnement de la photopile
II.3.Equation de continuité
II.4.Conditions aux limites
II.5.Coefficient d’absorption
II.6.Longueur de diffusion
II.7.Coefficient de diffusion des porteurs minoritaires de charge en excès
II.8.Equations transcendantes
II.9.Densité des porteurs de charge Eclairement de la face avant par rapport à la surface incidente de l’éclairement
II.10.Vitesse de recombinaisons
II.10.a.Vitesse de recombinaison en face avant par rapport à la surface incidente de l’éclairement
II.10.b.Vitesse de recombinaison en face arrière par rapport à la surface incidente de l’éclairement
II.11.Conclusion
III. Rendement quantique interne
III.1.Introduction
III.2.Effet de la fréquence de modulation sur le rendement
III.3.Effet de la taille de grain sur le rendement
III.3.a.Influence de la profondeur du grain (gz)
III.3.b.Influence de l’épaisseur du grain (gx et gy)
III.4.Effet de la vitesse de recombinaison aux joints de grain des porteurs minoritaires (Sg) sur le rendement quantique
III.5.Phase du rendement
III.6.Conclusion
IV. Détermination des paramètres électriques
IV.1.Introduction
IV.2.Représentation du rendement quantique interne dans le diagramme de Nyquist
IV.3.Conclusion
V. Conclusion générale
VI. Bibliographie
