Etude theorique de la photopile bifaciale

Depuis le choc pétrolier des années 1970 et l’augmentation croissante de la demande énergétique à l’échelle mondiale, l’intérêt porté aux énergies renouvelables n’a cessé de croître. Parmi ces énergies renouvelables, l’énergie solaire constitue une des solutions les plus probantes par ses qualités écologiques et son autonomie avérée, de telle sorte que les générateurs photovoltaïques sont devenus un maillon incontournable dans les différents moyens de communications (le téléphone, la radio, la télévision) ou bien dans la conquête spatiale. En effet, la conversion directe de l’énergie solaire en électricité est un problème scientifiquement résolu. En 1839, le physicien français Becquerel décrivit le premier l’effet photovoltaïque et en 1912 Einstein en expliqua les mécanismes. Des rapides progrès dans ce domaine ne furent enregistrés qu’aux années 1950 par les Laboratoires Bell qui fabriquèrent les premières photopiles au silicium cristallin de rendement 4% à partir de tirage Czochralski [1].

PRESENTATION DE LA PHOTOPILE BIFACIALE

Elle comprend quatre parties essentielles: Une zone frontale avec un fort taux de dopage (10¹⁷ à 10¹⁹ atomes.cm-3) dont l’épaisseur est très faible (moins de 1µm), c’est l’émetteur (de type n+), qu’on appelle également face avant de la photopile ; Une seconde zone peu dopée (10¹⁵ à 10¹⁷ atomes.cm-3), mais dont l’épaisseur est beaucoup plus significative (jusqu’à 400µm), c’est la base (de type p) où les porteurs minoritaires de charge sont des électrons ; Entre ces deux zones, se trouve la jonction ou zone de charge d’espace qui permet de séparer les paires électron-trous grâce au champ électrique qui y règne. Enfin une zone surdopée (de type p+ ) située en arrière de la base, assure la création d’un champ électrique qui permet de renvoyer les porteurs photogénérés près de cette face arrière vers la jonction (Back Surface Field : BSF) [II. 7 – 8 – 9]. Des contacts électriques assurés par des grilles métalliques adaptées [II.9 – 10] en faces avant et arrière, permettent la collecte des électrons pour leur participation au courant dans le circuit extérieur. La structure de cette photopile lui permet d’être éclairée par la face avant, par la face arrière ou soit simultanément par les deux faces.

ETUDE DE L’EFFET DU CHAMP MAGNETIQUE SUR LE COEFFICIENT ET LA LONGUEUR DE DIFFUSION

Effet du champ magnétique sur le coefficient de diffusion 

Expression du coefficient de diffusion

Le coefficient de diffusion est un paramètre très important dans la caractérisation de matériau semiconducteur. Considérant que notre photopile bifaciale est placée entre les pôles d’un électroaimant sous éclairement multispectral de telle sorte que l’on ait :  B = Bj .

Le coefficient de diffusion décroît avec l’augmentation de l’intensité du champ magnétique. Il ressort donc une dégradation du coefficient de diffusion avec le champ magnétique. Cela signifie qu’une photopile monocristalline sous l’effet d’un champ magnétique fonctionnera comme une photopile polycristalline à partir d’une certaine intensité du champ magnétique appliquée (B > 6.10⁻⁴ Tesla). L’obtention de cette expression du coefficient de diffusion nous permet de déterminer à présent un autre paramètre électronique appelé longueur de diffusion.

ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES DANS LA BASE

Taux de génération des porteurs 

Lorsqu’une photopile est éclairée par la face avant ou par la face arrière ou bien simultanément par les deux faces, elle absorbe les photons incidents d’énergie supérieure à celle du « gap » du matériau semiconducteur qui la constitue. Si la photopile se trouve dans un circuit fermé, l’électron ainsi excité peut passer dans un état énergétique correspondant à la bande de conduction et pourra contribuer à la génération d’un photocourant dès que la paire électron-trou sera séparée à la rencontre du champ électrique qui règne au niveau de la jonction .

Recombinaisons des porteurs 

Il existe principalement deux types de recombinaison ; il s’agit des recombinaisons en volume et celles en surface.

Recombinaison en volume

Ce sont des recombinaisons par transition directe bande à bande (radiative, Auger…) ou indirecte (Shockley-Read-Hall).

Recombinaison radiative
Lorsqu’une jonction est polarisée en direct, les recombinaisons peuvent devenir radiatives. C’est l’inverse du phénomène d’absorption. Le porteur minoritaire en excès passe directement de la bande de conduction à la bande de valence par émission de photon : C’est un laser.

Recombinaison de type Auger
On a une recombinaison Auger lorsque l’énergie de l’électron qui retombe dans la bande de valence est transférée sous forme d’énergie cinétique à :
– un autre électron libre qui sera transféré à un niveau supérieur dans la bande de conduction ;
– un trou sur un niveau profond de la bande de valence.

Recombinaisons de type Shockley-Read-Hall
Elles sont de deux ordres. Celles dues aux défauts du réseau cristallin (défauts interstitiels, lacunes, dislocations) ou certaines impuretés chimiques (des atomes d’Or dans le Silicium par exemple) donnent des niveaux discrets d’énergie situés vers le milieu de la bande interdite.

Vitesses de recombinaison

Vitesse de recombinaison à la jonction Sf 

Lorsqu’une photopile idéale fonctionne en circuit ouvert, il n’y a aucune fuite en son sein. Pour une photopile réelle, fonctionnant dans les mêmes conditions (circuit ouvert), des fuites existent et traduisent : la présence d’une résistance de charge parasite. Dans cette condition, le niveau de ces fuites : fort (respectivement faible) indique une mauvaise (respectivement bonne) qualité de la photopile. Ainsi, la présence de ces fuites symbolise un flux indésirable des porteurs à travers la jonction ; ce flux se matérialise phénoménologiquement par une vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction Sf0 α induite par la résistance de charge parasite.

L’existence d’une résistance de charge extérieure Rch connectée à la photopile. Celle-ce impose le point de fonctionnement et donc une certaine valeur de courant; le passage de ce courant traduit un flux de porteurs à travers la jonction matérialisé ici par une vitesse de recombinaison à la jonction Sf (j) .

Vitesse de recombinaison en face arrière Sb 

Des études bibliographiques ont montré aussi que pour améliorer le photocourant dans les photopiles, un champ électrique est réalisé par une jonction p-p+ en face arrière: il s’agit d’un dispositif appelé BSF [II. 7- 9]. La vitesse de recombinaison à la face arrière liée à cette jonction ne déprendra que de la qualité intrinsèque de la photopile en face arrière : Sb0α. En plus, différents travaux [II.15 -18] ont montré qu’une bonne photopile à champ arrière (faible vitesse de recombinaison en face arrière), se comporte comme une photopile conventionnelle à face arrière non passivée pour des longueurs d’onde inférieures à 0.7 µm. Cela montre que la composante Sb0α seule ne suffit pas pour décrire complètement ces recombinaisons en face arrière ; d’où la nécessité d’une deuxième composante de cette vitesse de recombinaison en face arrière Sbλ dépendante de la longueur d’onde [II.15 -18].

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
BIBLIOGRAPHIQUES DE L’INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. INTRODUCTION
I.2. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA CARACTERISATION DES PHOTOPILES
I.3. CHAMP MAGNETIQUE DANS LE SYSTEME SOLAIRE
I.3.1. DEFINITION
I.3.2. CHAMP MAGNETIQUE A LA SURFACE DE LA TERRE
I.3.3. CHAMP MAGNETIQUE SUR LES AUTRES PLANETES
I.4. CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE I
CHAPITRE II : ETUDE THEORIQUE DE LA PHOTOPILE BIFACIALE
II.1. INTRODUCTION
II.2. PRESENTATION DE LA PHOTOPILE BIFACIALE
II.3. ETUDE DE L’EFFET DU CHAMP MAGNETIQUE SUR LE COEFFICIENT ET LA LONGUEUR DE DIFFUSION
II.3.1. EFFET DU CHAMP MAGNETIQUE SUR LE COEFFICIENT DE DIFFUSION
II.3.1.1. Expression du coefficient de diffusion
II.3.1.2. Profil du coefficient de diffusion
II.3.2. LONGUEUR DE DIFFUSION
II.4. ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES DANS LA BASE
III.4.1. TAUX DE GENERATION DES PORTEURS
II.4.2. RECOMBINAISONS DES PORTEURS
II.4.2.1 RECOMBINAISON EN VOLUME
a.). Recombinaison radiative
b. ) Recombinaison de type Auger
c.). Recombinaisons de type Shockley-Read-Hall
d.). Recombinaison dans les émetteurs
II.4.2.2. Recombinaison en surface
II.4.3. Conditions aux limites
II.4.4. Vitesses de recombinaison
II.4.4.1. Vitesse de recombinaison à la jonction Sf
II.4.4.2. Vitesse de recombinaison en face arrière Sb
II.4.3. ETUDE DE DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES
II.3.1. Résolution de l’équation de continuité
a.) Résolution de l’équation sans second membre
b.) Résolution de l’équation avec second membre
II. 3. 2. PROFILS DES DENSITES DE PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES DANS LA BASE
II. 4. 5.4. Profils de la densité des porteurs minoritaires de charge en fonction de la profondeur x de la base et de la vitesse de recombinaison Sf(j)
II. 5. CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE II
CHAPITRE III : DETERMINATIONS DES PARAMETRES ELECTRIQUES PHENOMENOLOGIQUES DE LA PHOTOPILE
III.1. INTRODUCTION
III.2. ETUDE DES DENSITES DE PHOTOCOURANT DANS LA BASE
III. 3. ETUDE DES VITESSES DE RECOMBINAISON INTRINSEQUES
III.3.1. VITESSE DE RECOMBINAISON INTRINSEQUE A LA JONCTION SF0α
III.3.2. VITESSE DE RECOMBINAISON EN FACE ARRIERE SB0α
III. 4. ETUDE DE LA DENSITE DE PHOTOCOURANT DE COURT- CIRCUIT
III. 5. ETUDE DE LA PHOTOTENSION AUX BORNES DE LA PHOTOPILE
III.5.1. EXPRESSION DE LA PHOTOTENSION AUX BORNES DE LA PHOTOPILE
III.5.2. PROFILS DE LA PHOTOTENSION AUX BORNES DE LA PHOTOPILE
III.5.3. PROFILS DE LA PHOTOTENSION AUX BORNES DE LA PHOTOPILE EN FONCTION DE CHAMP MAGNETIQUE B ET DE LA VITESSE DE RECOMBINAISON SF(J)
III. 5. 4. PHOTOTENSION DE CIRCUIT OUVERT
III.6. COURANT DE DIODE
II.6.1. EXPRESSION DU COURANT DE DIODE
II.6.2. PROFILS DU COURANT DE DIODE EN FONCTION DU CHAMP MAGNETIQUE ET DE LA VITESSE DE RECOMBINAISON
III. 7. CARACTERISTIQUES COURANT-TENSION DE LA PHOTOPILE
III.8. FACTEUR DE FORME
III. 9. ETUDE DE LA PUISSANCE
III.9.1. EXPRESSION DE LA PUISSANCE
III. 9.4. CARACTERISTIQUE PUISSANCE-TENSION
III. 10. ETUDE DU RENDEMENT DE CONVERSION
I.11. CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPIHQUES DU CHAPITRE III
CHAPITRE II : DETERMINATIONS DES PARAMETRES ELECTRIQUES MACROSCOPIQUES
IV.1. INTRODUCTION
IV. 2. ETUDE DE LA CAPACITE DE LA PHOTOPILE
IV.2.1. CAPACITE DE DIFFUSION DE LA PHOTOPILE
IV.2.1.1. EXPRESSION DE LA CAPACITE DE DIFFUSION
IV.2.1.2. Capacité de diffusion de la photopile en fonction de la tension
IV.2.2. CAPACITE DE LA PHOTOPILE EN CIRCUIT OUVERT
IV. 2.3. ETUDE DE L’EPAISSEUR DE LA ZONE DE CHARGE D’ESPACE
IV.2. 4. PROFIL DE L’INVERSE DE LA CAPACITE DE DIFFUSION EN FONCTION DE L’EPAISSEUR DE LA ZONE DE CHARGE D’ESPACE
IV. 3 : ETUDE DES RESISTANCES SERIE ET SHUNT
IV.3.1. ETUDE DE LA RESISTANCE SERIE
a.) Expression de la résistance série
b.) Profils de la résistance série en fonction de l’intensité du champ magnétique
IV.3.2. ETUDE DE LA RESISTANCE SHUNT
a.) Expression de la résistance shunt
b.) Influence du champ magnétique sur la résistance shunt
IV.4. CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE IV
CONCLUSION GENERALE

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