Etude bibliographique sur les techniques de caracterisation de photopiles

Les cellules solaires sont des dispositifs permettant la conversion d’énergie solaire en énergie électrique: c’est la conversion photovoltaïque. Lors de cette conversion, les porteurs minoritaires photogénérés succombent à différents processus de recombinaison (en volume et aux interfaces de la photopile). Elle se trouve alors influencée par les différentes imperfections au sein de la photopile. Ainsi, différentes techniques ont été mises en œuvre afin d’appréhender la nature et les effets de ces imperfections à travers les paramètres de recombinaison des porteurs minoritaires en excès dans la photopile.

TYPES DE PHOTPILE 

Pour améliorer la conversion photovoltaïque, plusieurs types de photopiles sont conçus. Nous pouvons citer :
– Les photopiles monofaciales
– Les photopiles bifaciales
– Les photopiles à jonction verticales.
Elles se composent de trois parties essentielles qui sont l’émetteur (zone n), la zone de charge d’espace (autour de la jonction) et la base (zone p).

L’émetteur est la zone la plus dopée (10¹⁷ à 10¹⁹ atomes.cm-3) et dont l’épaisseur est la plus petite; La base quant à elle est peu dopée (10¹⁵ à 10¹⁷ atomes.cm-3), mais son épaisseur est bien plus significative (jusqu’à 400µm) que celle de l’émetteur ; elle est de type p et de ce fait les porteurs minoritaires seront des électrons. Son extrémité arrière est sur-dopé P+ ce qui permet de renvoyer les porteurs photocréés à ce niveau vers la jonction. L’interface émetteur-base ou jonction appelée zone de charge d’espace est le siège d’un champ électrique intense qui permet de séparer les paires électron-trou qui arrivent à la jonction. Les photopiles monofaciales sont successibles d’être éclairées que par une seule face contrairement aux photopiles bifaciales qui eux, peuvent être éclairées par les deux faces (face avant et face arrière). Pour les photopiles monofaciales ou bifaciales, les rayons lumineux arrivent perpendiculairement au plan de la jonction P-N, c’est-à-dire suivant l’axe PN de la cellule solaire. Si le plan de la jonction est disposé de façon verticale alors les rayons lumineux seront horizontaux(figure 1-a). Quant à la photopile à jonction verticale, les rayons lumineux arrivent parallèlement au plan de la jonction P-N. Autrement dit si le plan de la jonction P-N de la photopile est disposé de façon verticale alors les rayons lumineux seront verticaux. D’où le nom de photopile à jonction verticale (figure 1-b). Ces photopiles à jonction verticales sont constituées de plusieurs cellules solaires connectées en série (photopile à jonction verticale série) où en parallèle (photopile à jonction verticale parallèle) dans le but d’augmenter le rendement.

REALISATION ET CARACTERISATION DES PHOTOPILES

Nous présentons brièvement dans cette partie une technique de réalisation des photopiles au silicium polycristallin [9].

Principe de préparation 

Le substrat polycristallin est obtenu à partir du silicium (de qualité électronique)[10]. Le procédé de fabrication consiste en une fusion du silicium dans un creuset fixe placé dans un gradient thermique convenable, calorifugé sur toute sa surface; le silicium fondu et ensuite dopé et on procède à une solidification progressive du silicium dopé. Pour cela la partie inférieure du calorifuge est supprimée, ce qui permet de contrôler la vitesse de recristallisation. Le gradient thermique sera vertical car les pertes de chaleur se font par rayonnement. On aura ainsi une recristallisation unidirectionnelle donnant une structure colonnaire. Le lingot polycristallin est découpé en plaques d’environ 300 à 500 micromètres à l’aide d’une scie à fil. Les plaques sont numérotées puis traitées de manière suivante:
➤ Pour éliminer les perturbations provoquées par la scie, on procède à un décapage à la soude.
➤ On procède à la désoxydation de la surface des plaques.
➤ On procède à la diffusion de POCl3 afin de former la jonction.
➤ On passe à la réalisation des contacts ohmiques des faces d’éclairement.
➤ Ouverture de la diode dans un plasma de CF4 plus 8% de O2.
➤ On procède à un dépôt d’une couche anti-reflet TiO2 afin d’éliminer les réflexions parasites.

La structure colonnaire est peu perturbée le long du substrat; la révélation chimique permet d’observer les défauts cristallins. La zone solidifier en premier lieu présente une faible densité de défauts structuraux et une grande taille des grains. La zone du milieu présente quant à elle une légère augmentation du nombre de défauts par rapport à la précédente. La zone solidifiée en dernier lieu présente une très grande densité de défauts structuraux. Pour interpréter leurs propriétés optoélectroniques dans le matériau, nous allons d’abord procéder à leur identification.

Révélation chimique des défauts

Plusieurs travaux ont étés effectués pour révéler les défauts au sein du silicium polycristallin. Le principe de la révélation chimique est basé sur le fait que les défauts peuvent aboutir à la surface du matériau. Ainsi la vitesse d’attaque du réactif augmente au voisinage du lieu d’émergence de l’imperfection, ce qui rend compte de l’activité des défauts. Pour cela des réactifs chimiques ont été développés parmi lesquels :
➤ Le réactif de SIRTL permettant de révéler les défauts suivant un plan [11].
➤ Le réactif de DASH [12] permettant de révéler les défauts dans toutes les directions.
➤ Le réactif de SECCO [13] et de SCHIMMEL.

Nous avons aussi d’autres méthodes nous permettant d’avoir des informations sur l’activité des défauts comme la méthode EBIC (Electron Beam Induced Current). Le principe fondamental de cette méthode est la détection d’un courant généré dans le semi conducteur appelé courant induit. La localisation des défauts dans le polycristal permet de mieux comprendre les phénomènes de recombinaison au sein des photopiles, permettant ainsi d’agir sur la qualité de conversion photovoltaïque.

Les impuretés 

Dans un cristal donné, on désigne par le terme impureté tout atome ou groupement d’atomes étrangers au réseau cristallin. Ces atomes peuvent être introduits volontairement dans l’édifice cristallin pour conférer au matériau des propriétés spécifiques (dopage, passivation) ou au contraire constituent des impuretés indésirables. Dans ce cas ce sont généralement des impuretés résiduelles après les différentes phases de purification du substrat ou de la contamination par le milieu de recristallisation. Les principales impuretés indésirables présentes dans le silicium polycristallin sont l’oxygène et le carbone. Suivant la température et le temps de recuit elles peuvent former différents complexes entre elles ou avec les atomes de silicium [14]. Le phénomène de précipitation des différentes impuretés au cours de la fabrication du matériau entraîne un changement local de volume dans le matériau qui introduit donc des contraintes mécaniques dans le réseau. Il en résulte ainsi l‘apparition de défauts structuraux.

Les défauts cristallographiques 

Ce sont les imperfections structurales du cristal. Dans le silicium polycristallin ces principaux défauts sont: les dislocations, les joints de grain, les sous-joints, les surfaces délimitant le volume du cristal et les défauts ponctuels tels que les liaisons pendantes et les lacunes. Ces défauts surviennent accidentellement lors de la recristallisation du matériau. Leurs nocivités s’expliquent par le fait qu’ils représentent des sites privilégiés de diffusion des impuretés contenues dans le volume du cristal [15].

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES TECHNIQUES DE CARACTERISATION DE PHOTOPILES
INTRODUCTION
I/ TYPES DE PHOTPILE
II/ REALISATION ET CARACTERISATION DES PHOTOPILES
III / TECHNIQUES DE MODELISATION
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES
I / PRESENTATION DE LA PHOTOPILE
II / CHOIX DU MODELE DE CALCUL
III/ TAUX DE GENERATION
IV/ EQUATION DE CONTINUITE
IV-1/ Conditions aux limites
IV-2/ Equations transcendantes
V/ ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES
V-1) Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur z
V-2) Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur y
V-3) Répartition de la densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de y et x
V-4) Répartition de la densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur de z et y
V-5) Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la densité des porteurs minoritaires en excès
CHAPITRE III : VITESSE DE RECOMBINAISON, COURANT DE RECOMBINAISON ET COURANT DIODE
I/ VITESSE DE RECOMBINAISON A LA FACE AVANT
I-1: Effet des vitesses de recombinaison de recombinaison aux joints de grain et de la longueur de diffusion
I-2: Effet de la taille de grain
II / VITESSE DE RECOMBINAISON EN FACE ARRIERE
II-1: Effet des vitesses de recombinaison aux joints de grain et de la longueur de diffusion
II-2: Effet de la taille de grain
III/ COURANT DE RECOMBINAISON AUX JOINTS DE GRAIN
III-1: Eclairement par la face avant
III-2: Eclairement simultané des deux faces
IV/ COURANT DE DIODE
IV-1: Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain
IV-2: Influence de la taille de grain
IV-3: Influence de la vitesse de recombinaison à la face avant ou arrière
CHAPITRE IV : ETUDE DE LA DENSITE DE PHOTOCOURANT ET DE LA PHOTOTENSION
I / ETUDE DE LA DENSITE DE PHOTOCOURANT
I-1) Profil de la densité de photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction
I- 2) Densité de photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la face avant
I-3) Densité de photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison en face arrière
II / ETUDE DE LA PHOTOTENSION
II-1: Phototension en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction
II-2: Phototension en fonction de la taille de grain et la vitesse de recombinaison au joints de grain
II-3: Effets combinés des vitesses de recombinaison à la jonction et aux joints de grain sur la phototension
II-3: Phototension en fonction de la vitesse de recombinaison à la face avant et en face arrière
II-4: Phototension de circuit ouvert
CHAPITRE V : ETUDE DE QUELQUES PARAMETRES ELECTRIQUES MACROSCOPIQUES DE LA PHOTOP ILE A JONCTION VERTICALE SERIE
I / CARACTERISTIQUE COURANT-TENSION
I-1) Influence de la taille de grain
I-2) Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain
II/ PUISSANCE ELECTRIQUE DE LA PHOTOPILE
II-1) Puissance électrique en fonction de la phototension
II-2) Puissance électrique en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction
III/ PUISSANCE MAXIMALE
III-1) Puissance maximale en fonction de la vitesse de recombinaison en face arrière
III-2) Effet de la taille des grains
IV/ FACTEUR DE FORME
V/ RENDEMENT DE CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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