Etude de la densite des porteurs minoritaires en exces

Les énergies renouvelables, en particulier l’énergie photovoltaïque constituent une source d’espoir pour les générations futures face à la demande croissante en énergie. En effet elle est appréciée par ses qualités écologiques et sa dimension planétaire fait d’elle une réserve inestimable. Cependant l’utilisation de cette énergie à grande échelle est limitée entre autre par le rendement des photopiles. C’est pourquoi des recherches intenses sont menées afin d’améliorer le rendement de photoconversion.

C’est dans ce but que de nouvelles générations de photopiles appelées photopiles à jonction verticale (susceptibles d’être éclairée par des rayons parallèles à la jonction) ont été conçues. Différentes techniques de caractérisation [1,2] ont été mises en œuvre pour évaluer les effets des différentes imperfections (impuretés non contrôlées, dislocations, joints de grain …) sur la photopile, pour un contrôle de qualité; ce qui permet d’améliorer certaines étapes de la fabrication pour conduire à un meilleur rendement de la photopile. Ces techniques de caractérisation sont basées sur la mesure des effets optiques [3] et ou électriques [4] des imperfections contenues dans la photopile.

La conversion photovoltaïque, étant régie par les processus que sont la génération des paires électrons-trous, leur recombinaison et leur diffusion à travers la jonction, est limitée par ces imperfections. Elles sont entre autres responsables des recombinaisons des porteurs minoritaires de charges photogénérées en volume, aux surfaces et interfaces, aux joints de grain et dislocations [5,6]. Ces recombinaisons sont spécifiées par des paramètres comme la longueur de diffusion (c’est la distance moyenne parcourue par les porteurs minoritaires de charge avant de succomber à un processus de recombinaison), le coefficient de diffusion D (en relation avec le dopage de la base), les vitesses de recombinaison en volume et en surface, la durée de vie des porteurs.

La qualité de la photopile dépend aussi du substrat de base; on distingue dans le cas du silicium deux grandes familles que sont les substrats monocristallin et polycristallin. Le substrat monocristallin est beaucoup plus pur, il est plus cher mais conduit à des rendements élevés. Le substrat polycristallin quant à lui est moins cher et moins homogène que le substrat monocristallin. Il a de ce fait un rendement de conversion énergétique moins élevé (~13%) mais de fabrication plus facile [6,7,8]. Il sera le substrat de base de fabrication de la photopile à jonction verticale série que nous aurons à étudier. Le lingot de silicium polycristallin est composé de plusieurs cristaux appelés grain de tailles différentes séparés par des joints de grain. La taille de grain et les pertes de porteurs minoritaires au niveau des joints de grain influent largement sur les paramètres microscopiques de la photopile polycristalline.

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES TECHNIQUES DE CARACTERISATION DE PHOTOPILES EN REGIME STATIQUE 

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 .

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 . 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.

PRESENTATION DE LA PHOTOPILE

HYPOTHESES 

Nous ferons les hypothèses suivantes :
o La contribution de l’émetteur est négligée.
o L’épaisseur de l’émetteur est négligée devant celle de la base.
o L’éclairement est faite avec une lumière multispectrale constante.
o L’éclairement sur le plan z=0 de la photopile sera uniforme. Nous aurons alors un taux de génération ne dépendant que de la profondeur z dans la base.

Dans les travaux antérieurs effectués dans le laboratoire des semiconducteurs et d’énergie solaire, les photopiles utilisées étaient soit monofaciales ou bifaciales.

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 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.
➤ 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).
➤ 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.

CHOIX DU MODELE DE CALCUL

Plusieurs analyses théoriques de caractérisation et de modélisation permettant de comprendre et de caractériser les dispositifs semiconducteurs ont été développées. Ces analyses ont permis de décrire de façon adéquate les mécanismes optoélectroniques se déroulant au sein du substrat de base des photopiles. Ainsi pour comprendre le comportement très complexe des cellules solaires, on fait appel à la modélisation qui est un procédé d’interprétation basé sur des formes d’analogies adéquates permettant de décrire la réaction du dispositif avec précision dans les conditions de fonctionnement [38]. La modélisation est donc un outil très puissant dans la mesure où elle permet de choisir les paramètres géométriques optimaux et adéquats avant la fabrication des cellules. Sur le plan financier, elle permet de réduire considérablement le coût et le temps des essais et développement pour la fabrication des prototypes et échantillons de la cellule solaire. Pour bien décrire le dispositif semi-conducteur, le modèle utilisé est choisi de telle sorte que les équations régissant son comportement soient résolues dans une, deux ou trois dimensions. Ainsi pour faire notre étude, nous utiliserons un modèle à trois dimensions car reflétant de manière adéquate les caractéristiques physiques de la cellule en rapport avec les phénomènes de transport des porteurs minoritaires dans sa base.

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

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