Cellule a jonction verticale multiple

En raison du développement de l’industrie, du transport et des moyens de télécommunications; une forte croissance de la consommation mondiale en électricité a été observée durant ces dernières décennies. Cependant une grande partie de cette électricité produite, est obtenue par combustion à partir de sources d’origine fossile (pétrole, charbon, carbone) dont le délai d’épuisement est estimé à quelques années. C’est ainsi que des recherches scientifiques se sont orientés vers d’autres sources d’énergie alternative dites renouvelables et notamment vers la plus ancienne le rayonnement solaire.

En effet le soleil est une source inépuisable, non polluante, la plus prometteuse et la plus puissante parmi les autres sources d’énergies renouvelables; il déverse chaque jour l’équivalent de 100 000 milliards de T.E.P (tonne équivalent pétrole) autant de facteur qui font de l’énergie solaire une solution alternative voir adéquate face aux problèmes engendrés par la production d’énergie fossile et nucléaire. L’obtention de cette électricité d’origine solaire repose sur la technologie des semiconducteurs qui consiste à utiliser les photons pour libérer des électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule, qui génère un courant électrique continu : c’est l’effet photovoltaïque découvert en 1839 par le physicien français E. Becquerel. Les dispositifs physiques responsables de cette conversion porte le nom de photopiles ou cellules solaires qui sont en réalité des diodes semi-conductrices à grande surface dont la jonction p-n est située juste sous la surface. Les plus répandues sont constituées de semiconducteurs principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi-conducteurs tels que le sulfure de cadmium (CdS), le tellurure de cadmium (CdTe) .

CELLULE A JONCTION VERTICALE MULTIPLE

Cellules à jonction verticale connectées en série

Les cellules à jonction verticale [I-9] ouvrent de nouvelles possibilités d’amélioration du rendement des cellules solaires au silicium avec de courtes longueurs de diffusion.

Cellules à jonction verticale connectées en parallèle

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 [I-11].
❖ 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 .

GENERALITE SUR LES TAUX DE GENERATION

Lorsque la photopile est éclairée par une radiation convenable (ℎ? > ??), il y a photocréation de paires électron-trou sous une vitesse diminuant de façon exponentielle en profondeur de la base ; cette vitesse de génération est mesurée par le taux de génération G. Ce taux tient compte aussi de la composition du spectre solaire [I-12].

Son expression dépend de la nature de lumière avec laquelle l’éclairement se fait.

Pour un éclairement monochromatique constant 

✔ En régime statique :
Lorsque la cellule solaire est illuminée par un faisceau monochromatique, le taux de génération est donnée par :

?(?, ?) = ?? ∗ (1 − ??) ∗ ?? ∗ ?−??∗? + ?0(?) (?. ?)

Où ??, ?? ?? ?? sont respectivement le coefficient d’absorption, le coefficient de réflexion, et de photon incident à la longueur d’onde ?, et ?0(?) est le taux de génération homogène due à la polarisation de la lumière.

Pour un éclairement en face avant son expression demeure la même (1.7) et pour la face arrière :

?(?, ?) = ?? ∗ (1 − ??) ∗ ?? ∗ ?−??(?−?) + ?0(?) (?. ?)

Pour un éclairement simultané son expression sera donnée par la somme des contributions en face avant et arrière.

✔ En régime dynamique transitoire :
Pour l’intervalle de temps ? < ?1, la photopile est soumise uniquement à une source lumineuse blanche. Dès l’instant que ? = ?1, elle est excitée en plus de la lumière blanche, par un faisceau monochromatique pulsé que l’on coupera à un instant ultérieur ? = ?2. L’expression du t aux de génération demeure ainsi le même que ceux obtenus en régime statique. Durant la période ?1 < ? < ?2 la photopile excitée par deux éclairements et évolue vers un autre état stationnaire pour t tendant vers ?2. Avant la coupure du faisceau pulsé, le taux de génération globe tient compte des vitesses de génération G(x) et g(x) dues respectivement à l’éclairement constant et au faisceau pulsé [I-14].

✔ En régime dynamique fréquentiel
Pour ce régime le taux de génération dépend du temps et aussi de la profondeur illuminée. Et sa forme est donnée en générale :

?(?,?) = ?(?)?−?.?.?

Où ?−?.?.? représente la partie temporelle.

Pour un régime fréquentiel résultant d’une excitation optique d’un échantillon de matériau semi-conducteur. Le taux de génération optique est sous la forme suivante [I-15]:

?(?,?) = ?(?) ∗ ?0(?) ∗ ?(?) ∗ ???[−?(?) ∗ (? + ?)] (?. ??)

Etude en régime statique d’une photopile à jonction verticale

PRESENTATION DE LA PHOTOPILE A JONCTION VERTICALE 

On se focalisera sur une photopile pour laquelle la base est de type (p) ; cette dernière est la région générant la plus grande partie du photocourant. C’est ainsi que les électrons constituent dans cette base les porteurs de charges minoritaires en excès.

La photopile à jonction verticale sur laquelle portera notre étude est quant à elle conçue de telle sorte que les faces d’éclairement soient perpendiculaires à la disposition habituelle. Donc les rayons incidents d’éclairement verticaux seront parallèles au plan de la jonction.

A l’image de la photopile bifaciale, elle est constituée de:
➤ une zone frontale dopée en atome donneurs (n) avec un fort taux de dopage (10¹⁷ à 10¹⁹ atomes.cm- 3 ) et dont l’épaisseur est très faible (moins de 1µm), qui est appelée émetteur où les porteurs minoritaires sont les trous.
➤ une seconde zone de type p, peu dopée en atomes accepteurs (10¹⁵ à 10¹⁷ atomes.cm- 3 ), mais dont l’épaisseur est beaucoup plus significative (jusqu’à 400µm) dictée par le coefficient d’absorption du silicium, c’est la base (P) où les porteurs minoritaires ici sont les électrons.
➤ une zone qui sépare l’émetteur de la base, appelée zone de charge d’espace (ZCE) où réside un champ électrique intense qui sépare les paires électron-trous qui arrivent à la jonction. [II-1] et [II-2].

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 cellule solaire. Chaque photon absorbé donne naissance à une paire d’électron-trou, ces porteurs de charges sont séparés par un champ électrique permanent et indestructible.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I
I-1.INTRODUCTION
I-2 CELLULE A JONCTION VERTICALE MULTIPLE
I-2-1 Cellules à jonction verticale connectées en série
I-2-2 Cellules à jonction verticale connectées en parallèle
I-2-3 Equation de continuité
I-3 GENERALITE SUR LES TAUX DE GENERATION
I-3-1 Pour un éclairement monochromatique
I-3-2 Pour un éclairement polychromatique
I-4 CONCLUSION
CHAPITRE II
II-1 INTRODUCTION
II-2 PRESENTATION DE LA PHOTOPILE A JONCTION VERTICALE
II-3 ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES DANS LA BASE
II-3-1 Résolution de l’équation de continuité
II-3-2 Condition aux limites
II-3-3 Détermination des constantes a0et a1
II-3-4 Profil de la densité des porteurs minoritaires dans la base en fonction de l’épaisseur x de la base
II-3-4-1 Effet de la profondeur de la base sur la densité des porteurs de charges
II-3-5 Etude de la densité des porteurs minoritaires dans la base en fonction de la profondeur z
II-4 ETUDE DE LA DENSITE DE PHOTOCOURANT
II-4-1 Expression de la densité de photocourant
II-4-2 Profil de la densité du photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction
II-4-3 Effet de la profondeur de la base sur la densité de photocourant
II-5 ETUDE DE LA PHOTOTENSION AUX BORNES DE LA PHOTOPILE
II-5-1 Profil de la phototension en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction
II-5-2 Effet de la profondeur sur la phototension
II-6 CARACTERISTIQUES I-V DE LA PHOTOPILE
II-6-1 Effet de la profondeur sur la caractéristique I-V
II-7 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE MATHEMATIQUES

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