Le principe de l’effet photovoltaïque

Le principe de l’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque est ce phénomène physique qui est la transformation de l’énergie solaire en électricité. En effet lorsque la surface du semiconducteur est en contact avec les photons de lumière du spectre solaire, ces derniers transmettent leur énergie aux électrons qui gravitent autour des atomes dont est formé le matériau : c’est l’effet photoélectrique. Les électrons qui acquièrent de l’énergie de la part des photons s’excitent. D’une part ils peuvent revenir à l’état d’équilibre en libérant l’énergie sous forme de chaleur, d’autre part il est possible de récupérer l’énergie sous forme électrique.
Ce dernier processus est la base du fonctionnement de la cellule photovoltaïque.

Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, lorsqu’il est exposé à la lumière absorbe des photons et génère une tension électrique. En effet, la jonction de deux semiconducteurs dopés p et n, laisse apparaitre une zone de charge d’espace où règne un champ électrique. La cellule exposée à la lumière absorbe les photons incidents. Chaque photon possède une énergie.

La barrière de diffusion d’impuretés

L’utilisation de certains substrats tels que le Stainless Steel (SS), inox, nécessite une barrière de diffusion pour empêcher la diffusion d’impuretés telles que les atomes de Fe dans l’absorbeur.
En effet les impuretés peuvent provenir des éléments constitutifs du substrat. La barrière de diffusion d’impuretés déposée à l’interface substrat-contact métallique arrière bloque la diffusion des impuretés. Ces derniers pourraient en fait dégrader la couche absorbante, affectant ainsi le rendement de la cellule. On note plusieurs matériaux pouvant servir de barrière : Al2O3 [9], des Nitrures de métaux tels que TiN [10] sont des contacts métalliques arrière avec la possibilité de bloquer les impuretés.
Cependant pour une bonne adhésion des couches, le matériau utilisé comme barrière de diffusion doit avoir un coefficient d’expansion thermique voisin de celui du substrat et de celui du contact métallique arrière. La barrière doit aussi présenter une stabilité thermique et chimique avec une bonne propriété d’isolant électrique.
Dans le cas des cellules solaires à base de CuInSe2 et dérivées la barrière de diffusion n’est pas nécessaire car la diffusion d’impuretés telles que le sodium a un effet bénéfique.

Le contact métallique arrière

Les contacts métalliques dans une cellule solaire jouent un rôle prépondérant puisqu’ils permettent de collecter les porteurs. Sans contact métallique on n’aurait pas eu la possibilité d’utiliser l’électricité photovoltaïque. Il est souvent utilisé un empilement de couche métallique de Molybdène (Mo) ou d’ITO. Ces contacts sont des électrodes et pour des cellules flexibles ces contacts ne devraient pas modifier la souplesse des cellules. Dans la recherche on note l’utilisation du Mo dans les cellules souples sur feuilles de Titane (Ti). [11]
Le choix du contact métallique est minutieux puisqu’un mauvais choix pourrait modifier l’orientation cristalline de la couche absorbante [12] et les propriétés de l’interface Mo/CIGS [13].
Le contact métallique doit aussi avoir de bonnes propriétés optiques et électriques.

La couche intermédiaire ou couche tampon

La couche tampon est un semiconducteur de type nqui, avec la couche absorbante dopée p, forme la jonction de la cellule. Elle est déposée entre la couche fenêtre et l’absorbeur d’où son nom de couche intermédiaire. Aussi appelé émetteur, cette couche sert à consolider la Zone de Charge d’Espace (ZCE) entretenant ainsi l’effet photovoltaïque. En effet, la jonction peut se faire dans une cellule même en l’absence de couche tampon. Elle pourrait être créée par la couche absorbante dopée p et la couche fenêtre dopée n. La couche intermédiaire joue aussi le rôle de protecteur contre les dégradations et les réactions chimiques pendant le dépôt des autres couches. Son choix doit tenir compte de certains paramètres tels que : un gap adéquat, un minimum de joints de grains pour éviter les courants de fuite. Plusieurs matériaux peuvent être utilisés mais le plus fréquent est le Sulfure de Cadmium (CdS) qui malgré sa toxicité répond bien aux attentes.

La couche fenêtre

Comme son nom l’indique, la couche fenêtre joue un rôle de fenêtre optique. C’est un matériau dopé n et qui possède un coefficient de transmission important de l’ordre de 80%. La couche fenêtre peut être utilisée comme contact métallique avant. Il doit aussi avoir une bonne conductivité. Le choix de la couche fenêtre doit tenir compte de son gap qui influe sur sa transparence et de son dopage qui influe sur sa conductivité. Il est souvent utilisé de l’Oxyde de Zinc (ZnO) ou une couche d’oxyde transparent ITO.

La couche antireflet

La couche antireflet a pour rôle de réduire de façon remarquable la réflexion de la lumière incidente. La propriété spécifique de cette couche est sa morphologie. En effet une surface lisse réfléchit plus qu’une surface avec une morphologie différente. C’est pourquoi il est préférentiellement utilisé un procédé de texturation qui donne une surface en zigzag (pyramidale). Avec cette morphologie, le rayon lumineux incident peut être réfléchi en partie et ce rayon réfléchi peut rencontrer une autre paroi du relief de la surface et être transmis.
Pour une surface lisse un rayon réfléchi n’est pas récupéré et retourne dans l’environnement extérieur. La couche antireflet améliore le confinement optique. Son choix doit tenir compte de son indice de réfraction et de son épaisseur qui doivent s’adapter aux milieux extérieurs et intérieurs de la cellule.

Les cellules solaires à base de CdTe

Le silicium peut être remplacé par d’autres matériaux moins onéreux pour la fabrication des cellules à couches minces. Le Tellure de Cadmium est un matériau prometteur. En effet les cellules solaires à base de CdTe ont de bonnes propriétés optiques avec une bande interdite directe d’environ 1,5 eV et une grande absorption dans tout le spectre solaire. On note des rendements qui peuvent même excéder 15%. Néanmoins la toxicité du Cadmium constitue un frein pour cette filière.

Les cellules solaires de troisième génération

La troisième génération vise à dépasser la limite maximale de rendement des cellules actuelles, qui est d’environ 30%. Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet objectif.

Les cellules solaires multijonctions

Cette technologie consiste à superposer différentes couches qui permettent de convertir différentes parties du spectre solaire et ainsi d’obtenir les meilleurs rendements de conversion.
Une couche peut par exemple absorber les couleurs vertes, une autre absorbant les couleurs rouges. Les cellules multijonctions peuvent ainsi atteindre des rendements inégalés de 42%. Mais la commercialisation de ces cellules n’est toujours pas possible bien qu’elles soient utilisées pour des applications spatiales.

Les équations fondamentales

Cette partie concerne un ensemble fondamental d’équations qui rassemblent le potentiel électrostatique et les densités de porteurs. Ces équations, sont dérivées des équations de Maxwell. Elles sont principalement : L’équation de Poisson, les équations de continuité et les équations de transport. Ces équations sont aussi utilisées pour programmer les logiciels qui nous ont permis d’effectuer les travaux de simulation.

Les recombinaisons SRH

Le processus de recombinaison SRH comme son nom l’indique fut pour la première fois présentée par Schokley, Read [19] et Hall [20]. Il se produit en volume.
Des états électroniques apparaissent dans le gap à cause de la présence des impuretés et des imperfections dans la structure cristalline du semiconducteur. Ces défauts piègent les porteurs de charge et affectent la conductivité du semiconducteur. En effet un électron de la bande de conduction se relaxe d’abord sur un niveau d’énergie intermédiaire lié à un défaut puis une deuxième relaxation occasionne sa recombinaison avec un trou de la bande de valence. Un trou de la bande de valence peut aussi subir une double relaxation et se recombiner dans la bande de conduction (figure I.21). Les défauts peuvent aussi jouer le rôle de centres de recombinaisons des paires électrons-trous par la capture d’un électron de la bande de conduction et d’un trou de la bande de valence.
La recombinaison SRH est modélisée par :

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DES CELLULES SOLAIRES A BASE DE DISELENIURE DE CUIVRE ET D’INDIUM CuInSe2 ET L’UTILISATION DES SUBSTRATS FLEXIBLES

Introduction

Nous nous intéressons aux cellules solaires de deuxième génération notamment celles à base de composés chalcopyrites. Ces derniers présentent en effet un intérêt particulier basé, sur leur coût, leurs propriétés physiques, leur rendement et leur rapport qualité prix. Les couches minces utilisées sont élaborées par diverses méthodes bien connues de la recherche.
Dans ce travail, nous présenterons l’état de la recherche sur les chalcopyrites de la famille I.III.VI 2 en s’orientant vers le Diséléniure de Cuivre et d’Indium (CuInSe 2 ). Apres avoir élucidé toutes les propriétés de ce matériau, nous allons parler de l’utilisation des substrats flexibles dans le but d’avoir des cellules solaires souples. L’utilisation de ces types de substrat mérite une connaissance parfaite des propriétés inhérentes à la flexibilité des matériaux que nous allons montrer.

La famille des chalcopyrites I.III.VI2 et Le Diséléniure de Cuivre et d’Indium CuInSe 2

Les chalcopyrites de la famille I.III.VI2

L’envol de la recherche photovoltaïque s’est effectué avec une ruée vers les principaux matériaux qui étaient le Silicium (Si) et le Tellure de Cadmium (CdTe). Des résultats intéressants ont été obtenus et exploités même à l’échelle industrielle. Mais des problèmes inhérents à l’utilisation de ces matériaux devenaient remarquables et limitaient cependant le rendement. En effet la densité de défauts importante des matériaux et leurs propriétés optoélectroniques relativement basses constituaient un frein. En plus, du point de vu chimique le Silicium renferme dans sa structure de l’Hydrogène (H) instable et souffre d’un effet devieillissement, et le CdTe renferme du cadmium qui est lourd, toxique et dangereux pour une production à grande échelle.

L’étude bibliographique sur l’électrodéposition

La technique d’électrodéposition reste très attractive. En effet c’est un processus d’élaboration très accessible vu d’une part la facilité de manipulation du dispositif expérimental et d’autre part l’importance de son bon rapport qualité/prix. On peut facilement prévoir la qualité des couches à partir d’un bon contrôle de la composition du bain électrolytique. Apres dépôt on obtient un matériau amorphe. Un traitement thermique permet la recristallisation.
Les composés qui forment la couche mince sont dissouts dans un électrolyte aqueux dans lequel seront plongées les électrodes.
La solution acide aqueuse pour l’obtention des couches de CuInSe2 peut être formée à partir de la dissolution dans de l’eau déionisée de Chlorure de Cuivre CuCl2 (1mM), de Chlorure d’Indium InCl 3 (5mM) et d’Oxyde de Sélénium SeO 2 (1mM). [40]Hormis ces trois composés on peut utiliser d’autres composés à dissoudre dans de l’eau déionisée tels que le CuSO 4.5H 2 O (2mM), le In2 (SO4)3 (4mM) et le H2SeO3 (4mM).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE 
CHAPITRE 1 
GENERALITES SUR LES CELLULES SOLAIRES PHOTOVOLTAIQUES
Introduction
I. Généralités sur l’effet photovoltaïque
I.1 Historique de l’effet photovoltaïque
I.2 Le spectre solaire
I.3 Le principe de l’effet photovoltaïque
I.4 Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
II. Les cellules solaires
II.1 Les éléments constitutifs de la cellule solaire
II.1.1 Le substrat
II.1.2 La barrière de diffusion d’impuretés
II.1.3 Le contact métallique arrière
II.1.4 La couche absorbante ou base
II.1.5 La couche intermédiaire ou couche tampon
II.1.6 La couche fenêtre
II.1.7 La couche antireflet
II.1.8 Le contact métallique avant
II.2 Les différents types de cellule solaires
Alain Kassine EHEMBA : Mémoire de Thèse Unique Page 6
II.2.1 Les cellules solaires de première génération
a. Les cellules solaires en Si-monocristallin
b. Les cellules solaires en Si-polycristallin
II.2.2 Les cellules solaires de deuxième génération
a. Les cellules solaires en Si-amorphe (aSi)
b. Les cellules solaires à base de CuInSe2 et CuInGaSe
c. Les cellules solaires à base de CdTe
II.2.3 Les cellules solaires de troisième génération
a. Les cellules solaires multijonctions
b. Les cellules solaires tandems
c. Les cellules solaires organiques
III. Les équations fondamentales
III.1 L’équation de Poisson
III.2 Les équations de continuité
III.3 Les équations de transport
III.3.1 Le courant de champ (drift)
III.3.2 Le courant de diffusion
III.3.3 Les courants dus au gradient des densités effectives d’états nie
III.3.4 Les courants d’électrons n J et de trous p J
III.4 Absorption optique
III.5 La génération optique
III.6 Calcul des grandeurs physiques qui caractérisent l’hétérojonction
III.6.1 Calcul du champ et du potentiel électriques à l’interface d’une hétérojonction
III.6.2 Calcul de la largeur de la zone de déplétion W
III.6.3 Calcul de la capacité différentielle
III.7 Les formules qui traduisent les mécanismes de recombinaison et la durée de vie des porteurs
III.7.1 Les recombinaisons SRH
III.7.2 Les recombinaisons Auger
III.7.3 Les recombinaisons radiatives
III.7.4 Les recombinaisons en surface
Conclusion
CHAPITRE 2
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DES CELLULES SOLAIRES A BASE DE DISELENIURE DE
CUIVRE ET D’INDIUM CuInSe2 ET L’UTILISATION DES SUBSTRATS FLEXIBLES
Introduction
I. La famille des chalcopyrites I.III.VI2 et Le Diséléniure de Cuivre et d’Indium CuInSe2
I.1 Les chalcopyrites de la famille I.III.VI2
I.2 Les propriétés physiques du CuInSe2
I.2.1 Les propriétés structurales du CuInSe2
a. La structure sphalérite
b. La structure chalcopyrite
I.2.2 Les propriétés électriques du CuInSe2
I.2.3 Les propriétés optiques du CuInSe2
II. L’élaboration des couches minces de Diséléniure de Cuivre et d’Indium CuInSe2
L’électrodéposition
II.1 Le principe de l’électrodéposition
II.2 Le dispositif expérimental utilisé pour l’électrodéposition
II.3 L’étude bibliographique sur l’électrodéposition
II.4 Résultats bibliographiques
II.4.1 Les résultats de la MEB
II.4.2 Les résultats de la XRD
III. Les substrats flexibles
III.1 Les propriétés liées au substrat flexible
III.2 Les paramètres critiques spécifiques à l’utilisation des substrats flexibles
III.2.1 Le rayon de courbure du substrat
III.2.2 Les contacts métalliques d’une cellule flexible
a. Contacts électriques avant
b. Contacts électriques arrière
III.3 Présentation du substrat flexible de Kapton
Conclusion
CHAPITRE 3 
LES TECHNIQUES DE DETERMINATION DE LA LONGUEUR DE DIFFUSION DES PORTEURS MINORITAIRES ET ETUDE DES PARAMETRES ELECTRIQUES D’UNE CELLULE A BASE DE DISELENIURE DE CUIVRE ET D’INDIUM ELECTRODEPOSE SUR SUBSTRAT FLEXIBLE DE KAPTON
Introduction
I. Techniques de détermination de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires par mesure de Photocourant-Capacitance
I.1 Définition de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires
I.2 Les méthodes de détermination de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires à partir des mesures de photocourant capacitance
I.2.1 Méthode photocourant-capacitance (PC)
I.2.2 Méthode du différentiel photocourant-capacitance (DPC)
I.2.3 Méthode simplifiée du différentiel photocourant-capacitance
II. L’étude des paramètres électriques des cellules solaires à base de couches minces de CuInSe2 électrodéposées sur substrat flexible
II.1 L’étude des paramètres électriques avec le SCAPS-1D
II.1.1 Présentation du logiciel SCAPS-1D
II.1.2 But de la simulation avec le SCAPS-1D
II.1.3 Le paramétrage du SCAPS-1D pour la caractérisation
II.2 La simulation avec l’AMPS-1D
II.2.1 Présentation du logiciel AMPS-1D
II.2.2 But de la modélisation avec l’AMPS
II.2.3 Le paramétrage de l’AMPS pour la caractérisation
Conclusion
CHAPITRE 4 
RESULTATS ET DISCUSSIONS DES TECHNIQUES DE DETERMINATION DE LA LONGUEUR DE DIFFUSION DES PORTEURS MINORITAIRES ET DES PARAMETRESELECTRIQUES DES CELLULES SIMULEES 
Introduction
I. Les résultats des techniques de détermination de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires à partir des mesures de photocourant-capacitance
I.1 Résultats de la méthode Photocourant-Capacitance (PC)
I.2 Les résultats de la méthode du Différentiel Photocourant Capacitance (DPC)
I.3 Résultats de la méthode Simplifiée du Différentiel du Photocourant-Capacitance
II. Les paramètres électriques des cellules solaires étudiées
II.1 Analyse et discussion des résultats obtenus avec le SCAPS-1D
II.1.1 Influence de l’épaisseur du substrat flexible de Kapton sur les paramètres électriques des cellules solaires à base de couche mince de CuInSe 2
a. Influence de l’épaisseur du substrat sur la caractéristique courant-tension
b. Influence de l’épaisseur du substrat sur les paramètres électriques macroscopiques
II.1.2 Influence de l’épaisseur des couches minces de CuInSe2 électrodéposées sur le substrat flexible de Kapton sur les paramètres électriques de la cellule solaire
a. Influence de l’épaisseur des couches sur la caractéristique I-V
b. Influence de l’épaisseur de la couche absorbante de CuInSe2 sur les paramètres électriques macroscopiques
c. Influence de l’épaisseur de la couche absorbante de CuInSe2 sur la courbe Mott-Schottky
d. La spectroscopie par impédance
II.2 Analyse et discussion des résultats obtenus avec l’AMPS-1D
II.2.1 Résultats et discussion de quelques paramètres électriques non encore exploités dans ce travail
a. Le diagramme en bande d’énergie des cellules en couche mince de CuInSe 2électrodéposée sur le substrat flexible de Kapton
b. Les caractéristiques courant-tensions et les paramètres électriques macroscopiques de la cellule
c. Le rendement quantique de la cellule
II.2.2 Résultats et discussion de la simulation de la cellule solaire à base de couche mince de CuInSe2 avec une couche fenêtre de Dioxyde d’Etain SnO 2
a. Le diagramme en bande d’énergie de la cellule avec une couche fenêtre de SnO 2
b. Les densités de courant des porteurs de charge de la cellule avec une couchefenêtre de SnO2
c. La caractéristique courant-tension et les paramètres électriques macroscopiques de la cellule solaire flexible avec une couche fenêtre de SnO 2
d. Le rendement quantique externe de la cellule avec une couche fenêtre de SnO2
II.2.3 Résultats et discussion de la cellule solaire à base de couche mince CuInSe2 à gap graduel électrodéposée sur substrat flexible de Kapton
a. Les densités de courant des porteurs de charge de la cellule à base d’une couche mince de CuInSe2 à gap graduel
b. Les paramètres électriques macroscopiques de la cellule solaire flexible à base de CuInSe2 à gap graduel
c. Le rendement quantique externe de la cellule à base de couche mince CuInSe2à gap graduel
Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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