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La cellule photovoltaïque ou photopile permet la conversion du rayonnement solaire en énergie électrique. Selon la nature de la polarisation et la longueur d’onde de l’éclairement, les propriétés de la cellule sont modifiées. Dans ce chapitre, après une étude bibliographique sur les différentes expressions du taux de génération nous proposons une bibliographie de quelques travaux menés sur les photopiles au silicium notamment en régime statique et sous effet du champ magnétique.
GENERALITE SUR LES TAUX DE GENERATION
Lorsque la photopile est éclairée par une énergie supérieure à l’énergie de gap du matériau qui le compose, les photons sont absorbés. Ce phénomène d’absorption découlant de la photosensibilité du matériau engendre une rupture des liaisons interatomiques à l’origine des paires électrons-trous. On parle alors de photo création ou photo génération de porteurs caractérisée par le taux de génération. Ce paramètre est fonction de la nature du spectre de lumière envoyée [15] (monochromatique, poly chromatique) et donc la longueur d’onde. Son expression dépend également du mode d’éclairement par la face avant, face arrière ou simultanément.
ETUDE EN REGIME STATIQUE
Etude en modélisation à 3-D d’une photopile au silicium en régime statique placée dans un champ magnétique et sous éclairement multi spectral : détermination des paramètres électriques. Dans cet article, les auteurs présentent une étude en modélisation à trois dimensions d’une photopile au silicium en régime statique, placée dans un champ magnétique et sous éclairement multi spectral. Les expressions des grandeurs microscopiques à savoir le coefficient et de la longueur de diffusion ont été données en fonction du champ magnétique. Leurs profils ont montré que le champ magnétique en bloquant les porteurs de charges diminuait leurs amplitudes.
PRESENTATION D’UNE PHOTOPILE MONO FACIALE SOUS POLARISATION ELECTRIQUE
La photopile est principalement constituée de quatre parties :
– L’émetteur ou face avant qui est fortement dopé de type n+ en atomes donneurs de concentration volumique ND allant de 10¹⁷ à 10¹⁹ cm-3, d’épaisseur faible d’environ 1µm. Dans cette région les porteurs majoritaires sont les électrons.
– La base qui est dopée p en atomes accepteurs de densité volumique NA variant entre 10¹⁵ cm-3 et 10¹⁷ cm-3 , d’épaisseur plus importante allant jusqu’à 400µm. Les électrons y sont les porteurs minoritaires.
– La zone de charge d’espace ou zone de déplétion encore appelée jonction sépare l’émetteur de la base. Dans cette partie règne un champ électrique intense dont le rôle est de séparer les paires électrons- trous photo générées.
– La face arrière fortement dopée p+ où règne un champ électrique qui renvoi les porteurs photo générés à la jonction.
Des grilles métalliques sont disposées à la face avant pour recueillir le courant photo généré. Lorsque le rayonnement solaire arrive à la surface de la photopile, elle l’absorbe et du fait de la photo sensibilité du matériau, iI s’en suit une rupture des liaisons créant les paires électrons- trous. Ces phénomènes physiques à savoir l’absorption et la photo génération conduisent soit à la recombinaison soit à la collecte des porteurs minoritaires de charges. L’ensemble de ces processus est régi par l’équation de continuité à partir de laquelle est définie la densité de porteurs minoritaires de charges en excès dans la photopile. Dans la suite de notre travail, nous négligerons la contribution de l’émetteur. L’hypothèse de la base quasi-neutre sera considérée et l’étude sera restreinte au niveau de la base de la photopile.
Profil de la densité de porteurs minoritaires des charges en excès en fonction de l’épaisseur x
En court-circuit
➤ Une première correspondant aux faibles valeurs de x où le gradient est positif. Dans cette zone, les porteurs de charges minoritaires traversent la jonction et participent au photo courant.
➤ Une deuxième où le gradient est nul correspondant à une valeur de x donnée. Dans cette région les porteurs sont bloqués à la jonction.
➤ Une dernière où le gradient est négatif correspondant aux grandes valeurs de l’épaisseur x. Dans cette partie les porteurs se recombinent en volume au niveau de la face arrière.
En effet, le champ électrique accélère les porteurs photo générés. Ce qui leur confère une énergie supplémentaire facilitant leur passage à travers la zone de charge d’espace. Nous remarquons aussi que plus la polarisation est importante, plus le maximum de la courbe de densité de porteurs minoritaires se déplace vers la jonction. Ce phénomène est dû au fait que le champ électrique renvoie les porteurs vers la jonction afin qu’ils participent au photo courant.
La courbe de variation de la densité de photo courant en fonction de Sf présente deux paliers distincts quelque soit la valeur, nulle ou non, du champ électrique.
➤ Sur le premier palier la densité de photo courant est nulle, pour un champ nul tandis qu’elle est différente de zéro en présence d’un champ électrique. En effet :
❖ En l’absence de toute polarisation électrique (pour E=0), et aux faibles valeurs de Sf, nous sommes au voisinage du circuit ouvert. Dans cette situation tous les porteurs s’accumulent à la jonction. Ils sont bloqués et donc il n’y a pas de passage de courant.
❖ En présence d’un champ électrique, le photo courant existe et augmente au fur et à mesure que la valeur du champ augmente. Ce photo courant de circuit ouvert résulte donc de la polarisation. Et tout se passe comme si le champ électrique insufflait aux porteurs de charges une énergie supplémentaire leur permettant ainsi de traverser la jonction.
➤ Aux grandes valeurs de Sf, la densité de photo courant est maximale et constante pour toute valeur nulle ou non du champ électrique. Nous sommes au voisinage du court circuit. A cette position tous les porteurs traversent la jonction pour participer au photo courant.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1) INTRODUCTION
I.2) GENERALITE SUR LES TAUX DE GENERATION
a) Cas d’un éclairement monochromatique constant
b) Pour un éclairement poly chromatique constant
I.3) ETUDE EN REGIME STATIQUE
I.4) CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE THEORIQUE
II.1) INTRODUCTION
II-2) PRESENTATION D’UNE PHOTOPILE MONO FACIALE SOUS POLARISATION ELECTRIQUE
II.3) ETUDE DE LA DENSITE DE PORTEURS MINORITAIRES DE CHARGES DANS LA BASE
II.3.1) Résolution de l’équation de continuité
II.3.2) Profil de la densité de porteurs minoritaires des charges en excès en fonction de l’épaisseur x
II-4) ETUDE DE LA DENSITE DE PHOTO COURANT
II-5) ETUDE DE LA PHOTO TENSION
II-6) ETUDE DE LA CAPACITE DE LA ZONE DE CHARGE D’ESPACE
II-7) ETUDE DE LA CARACTERISTIQUE I-V
II-8) CONCLUSION
CHAPITRE III : PARAMETRES ELECTRIQUES
III-1) INTRODUCTION
III-2) ETUDE DE LA RESISTANCE SERIE
III-3) ETUDE DE LA RESISTANCE SHUNT
III-4) CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE MATHEMATIQUE
