Soutenance mémoire
Le constat général est que la presque totalité de l’énergie utilisée jusqu’à nos jours dans le monde entier, est d’origine fossile. Avec un éventuel épuisement de ces réserves fossiles, il est impératif de trouver d’autres sources d’énergie qui semblent être à nos jours les énergies renouvelables (énergie solaire, éolienne, etc.). De toutes ces sources d’énergies renouvelables, l’énergie solaire semble être la solution la plus prometteuse pour les générations futures. La conversion de l’énergie solaire en électricité, appelée conversion photovoltaïque découverte par A. BECQUEREL en 1839 se trouve être un moyen efficace pour l’exploitation de cette énergie solaire. L’élément de base de cette transformation est la cellule solaire appelée photopile qui est fabriquée à base de matériau semi-conducteur. Parmi ces matériaux, le silicium est le plus utilisé du fait qu’il est abondant dans la nature, plus stable et non toxique. Il est obtenu par tirage selon le procédé CZOCHRALSKI dans les formes monocristallines. Le rendement des cellules solaires est fortement influencé par un certain nombre de propriétés physiques et optiques des matériaux dont on peut citer les phénomènes de réflexion. Cette réflexion diminue les performances de la photopile et s’imposent alors des méthodes d’amélioration du rendement des cellules. C’est dans ce contexte que s’inscrit l’élaboration des couches antireflets qui ont pour rôle d’amoindrir les pertes dues à la réflexion augmentant ainsi la collecte de charges [2]. Elles sont aujourd’hui déposées généralement dans des unités de vaporisation sous vide.
THÉORIE DES COUCHES ANTIREFLETS
Une tranche de silicium réfléchit près de 40% du rayonnement. En réalisant des couches antireflets dont la transmission optique est optimisée pour le domaine des longueurs d’onde d’irradiance maximale du spectre solaire sur la face avant, la surface traitée ne réfléchit plus que 4% du rayonnement. Ce sont ces couches antireflets qui donnent aux cellules solaires leur couleur bleu alors que le silicium est naturellement gris. Le rôle de cette couche antireflet est de diviser le reflet parasite du rayonnement lumineux incident en deux rayons et de rallonger le chemin optique de l’un des deux rayons, d’une longueur correspondant à la moitié de la longueur d’onde de la lumière transmise. Les deux reflets ainsi décalés se retrouvent en opposition de phase et s‘annulent mutuellement.
En réduisant les reflets parasites, on augmente donc les quantités de lumière transmise [4].
Pour obtenir un antireflet, il faut :
✔ que l’indice de réfraction de la couche déposée soit plus faible que celui du silicium (nc< ns) sinon on obtient l’effet inverse, c’està-dire on augmente les reflets.
✔ que les amplitudes des deux rayons réfléchis soient quasi égales pour qu’ils puissent se détruire mutuellement [4]. En faisant varier l’épaisseur de ces couches, on obtient des cellules solaires de différentes couleurs.
CHOIX DE LA COUCHE ANTIREFLET POUR LE SILICIUM
Pour le choix de la couche antireflet il s’avère nécessaire de connaitre son indice de réfraction et son épaisseur. On dépose sur le silicium (par exemple) une couche antireflet d’épaisseur e qui fonctionne par interférences destructives pour la réflexion.
ÉPAISSEUR DE LA COUCHE ANTIREFLET
Pour cela nous cherchons la différence de marche entre deux rayons réfléchis [3]. De cette différence de marche nous déduisons la différence de phase qui nous permet ensuite de trouver l’épaisseur pour les interférences destructives.
Considérons un matériau (silicium) d’indice de réfraction n3 recouvert d’une couche antireflet d’indice n2. Un rayonnement lumineux se propage dans un milieu d’indice n1 (air en général) et tombe sur le matériau.
Quand la lumière arrive aux surfaces de séparation entre les milieux (1) et (2) et entre (2) et (3), il se passe un phénomène de réflexion multiple au sein du dispositif. Si nous considérons un faisceau incident, une partie est réfléchie par la couche antireflet, l’autre partie, transmise, subit aussi une réflexion de la part du matériau (silicium). Ce faisceau réfléchi par le matériau est transmis par la couche antireflet et constitue le second faisceau réfléchi si nous considérons l’ensemble (faisceau incident, faisceau réfléchi et le faisceau provenant du matériau et transmis par la couche antireflet). De ce fait il se crée une différence de marche entre les rayons réfléchis et entre les rayons transmis. Dans la suite nous allons considérer deux rayons lumineux réfléchis pour calculer leur différence de marche qui engendre une différence de phase nous permettant de trouver l’épaisseur de la couche antireflet.
ÉTUDE DE LA PHOTOPILE AU SILICIUM
DESCRIPTION D’UNE PHOTOPILE SOLAIRE AU SILICIUM
Une photopile est un dispositif qui permet de convertir l’énergie solaire en énergie électrique. Elle est fabriquée à base de semi-conducteurs dont le plus utilisé est le silicium du fait du meilleur rendement qu’il présente. Une photopile au silicium est constituée par la jonction de deux types de silicium soigneusement dopé ; n et p (homojonctions). Certaines photopiles possèdent une zone arrière surdopée p+. Ainsi la photopile est composée de quatre parties dont l’émetteur et la base sont les plus essentielles compte tenu de la génération des porteurs de charges.
PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTES PARTIES DE LA PHOTOPILE
Une photopile est en général constituée de deux domaines principaux :
➤ Un premier domaine de type n, fortement dopé par des atomes (donneurs) de la colonne V du tableau de Mendeleïev (environ 1020 atomes/cm3) et de faible épaisseur appelé émetteur ;
➤ Un deuxième domaine généralement de type p, moins dopé par des atomes (accepteurs) de colonne III (environ 1017 atomes/cm3) avec une épaisseur plus grande appelé base.
Cependant, la jonction entre l’émetteur et la base crée une troisième zone très spécifique d’épaisseur très faible appelée zone de charge d’espace (ZCE) où règne un champ électrique intense permettant de séparer les pairs électrontrous qui arrivent à la jonction. En outre, certaines photopiles comportent une face arrière de dopage de même type que la base mais très élevé noté (p+) par rapport à cette dernière. Elle permet l’existence d’un champ arrière dont le rôle est de renvoyer vers l’interface émetteur-base les porteurs minoritaires générés près de la face arrière. De telles photopiles sont appelées photopiles à champs arrière ou Back Surface Field (B.S.F.).
La première zone (émetteur) et la dernière (face arrière) constituent les zones pouvant être éclairées, tandis que la base constitue le domaine le plus important de génération des porteurs de charges (électrons et trous). Pour relier la cellule à une charge extérieure c’est-à-dire pour la collecte du courant résultant de l’absorption de la lumière (des photons), des électrodes sous forme de grilles métalliques sont déposées par sérigraphie sur les deux faces avant et arrière servant de contacts électriques. Pour améliorer les performances de la cellule solaire ces grilles doivent laisser passer le maximum de flux lumineux incident. Ainsi une couche antireflet est déposée sur la face avant pour augmenter la quantité de lumière absorbée par la cellule. Puisque ce sont des porteurs de charges qui sont à la base du fonctionnement de la photopile un certain nombre d’équations est utilisé pour étudier leur évolution et les paramètres de la photopile qui dépendent essentiellement de ces porteurs.
|
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : THÉORIE DES COUCHES ANTIREFLETS
I/CHOIX DE LA COUCHE ANTIREFLET POUR LE SILICIUM
I-1/ÉPAISSEUR DE LA COUCHE ANTIREFLET
I-2/INDICE DE RÉFRACTION DE LA COUCHE ANTIREFLET
II/COEFFICIENT DE RÉFLEXION EN INTENSITÉ R
II-1/SILICIUM NU
II-2/SILICIUM AVEC COUCHE ANTIREFLET
CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA PHOTOPILE AU SILICIUM
I/DESCRIPTION D’UNE PHOTOPILE SOLAIRE AU SILICIUM
I-1/SCHÉMA DE LA PHOTOPILE
I-2/PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTES PARTIES DE LA PHOTOPILE
I-3/ÉQUATIONS QUI RÉGISSENT LE FONCTIONNEMENT DE LA PHOTOPILE
II/DENSITÉ DES PORTEURS MINORITAIRES EXCÉDENTAIRES DANS LA PHOTOPILE SOUS ÉCLAIREMENT MONOCHROMATIQUE
II-1/DANS LA BASE
II-2/DANS L’ÉMETTEUR
III/PHOTOCOURANT
III-1/PHOTOCOURANT DANS LA BASE
III-2/PHOTOCOURANT DANS L’ÉMETTEUR
III-3/DANS LA ZONE DE CHARGE D’ESPACE
IV/RENDEMENT QUANTIQUE EXTERNE
IV-1/DANS LA BASE
IV-2/DANS L’ÉMETTEUR
IV-3/DANS LA ZONE DE CHARGE D’ESPACE
CHAPITRE III : RÉSULTATS ET COMMENTAIRES
I/RÉPONSE SPECTRALE DE LA CELLULE AU SILICIUM NU
II/RÉPONSE SPECTRALE DE LA CELLULE SOLAIRE AU SILICIUM AVEC COUCHE ANTIREFLET
III/INFLUENCE DE LA COUCHE ANTIREFLET
CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
