Soutenance mémoire
L’exploitation des énergies renouvelables s’est développée de façon spectaculaire dans le monde au cours des deux dernières décennies. De nos jours, ce sont les énergies fossiles qui sont les plus exploités entrainant les problèmes de l’effet de serre, le réchauffement de la planète et la disparition de la couche d’ozone. De plus, les ressources en combustibles fossiles qu’offre la nature commence à s’épuiser et l’exploitation flagrante de ces ressources représente des coûts exorbitants et entraine la dégradation de l’environnement. Par ailleurs, l’énergie solaire a l’avantage d’être disponible en quantité non limitée et les cellules solaires sont un des moyens de récupérer cette énergie.
Les cellules solaires (ou cellules photovoltaïques) produisent de l’électricité directement à partir des radiations lumineuses du soleil. Cette conversion d’énergie n’émet pas de substances polluantes, et n’implique pas de mouvement mécanique. Par conséquent, elle ne nécessite pas de maintenance onéreuse. Ce qui fait que l’exploitation d’un tel système de conversion d’énergie est bon marché, comparée à celle d’autres systèmes.
PHYSIQUE DES CELLULES SOLAIRES A BASE DE a-Si:H
La jonction pn est la plus simple jonction utilisée dans les cellules solaires pour séparer les porteurs de charge générés par la radiation lumineuse. Des études sur les propriétés physiques du matériau du type p et celles du matériau du type n doivent être faites avant d’adopter le matériau pour la fabrication des cellules solaires. C’est le cas du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H).
La première couche mince du silicium amorphe (a-Si) a été produite en 1965 [3], mais la possibilité de dopage des matériaux en a-Si n’a été montrée qu’en 1975 [4]. Cependant, le rôle important que jouait l’atome d’hydrogène dans les couches minces de matériau en a-Si n’a pas été immédiatement reconnue. En fait, a-Si utilisable dans le domaine de l’électronique où le dopage est nécessaire, est un mélange de silicium et d’hydrogène, le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H).
Les chercheurs se sont intéressés à ce nouveau matériau semi-conducteur pour deux raisons principales. D’abord, les propriétés intéressantes qui ont ouvert de nouvelles voies dans les applications des dispositifs à semi-conducteurs, et ensuite la possibilité de production du a-Si:H sur une « grande surface » à une température relativement basse avec l’utilisation de procédé plasma. Ce semiconducteur est utilisé par exemple pour les couches photoconductives en électrophotographies, les transistors à couches minces, et les cellules solaires.
A cause de son coefficient d’absorption élevé dans la bande visible du spectre solaire, une couche de 1 µm de a-Si:H est suffisante pour absorber 90% d’énergie lumineuse du soleil.
La fabrication des couches minces à des températures relativement basses a permis l’utilisation de substrats bon marché comme une plaque de verre, une feuille mince métallique ou une feuille de polymère. Ce qui fait du silicium amorphe hydrogéné, un « choix » qui promet pour les cellules solaires à couches minces de prix abordables (considérés comme les cellules solaires de la seconde génération).
Depuis, la cellule solaire en a-Si:H de 1976 dont le rendement fut de 2,4% [5], des progrès ont été faits. En 1998, un chiffre supérieure à 15% a été atteint [6]. En 2002,les cellules solaires à couches minces en a-Si:H ont contribué { 6% de l’énergie totale produit par effet photovoltaïque dans le monde ( soit 35,8 MW). Récemment, des essais ont été faits sur des combinaisons de cellules en a-Si:H et des cellules de µc-Si:H (silicium microcristallin hydrogéné). Une particularité de ces cellules solaires est que toutes les couches minces à base de Si sont déposées à des températures inférieures à 600°C, par déposition chimique en phase vapeur assisté par plasma (plasma assisted chemical vapeur deposition). Il est à noter que le terme « couche mince » est propre aux couches d’épaisseur de 1 à 100 µm .
Le silicium amorphe hydrogéné
Une comparaison entre les propriétés de l’a-Si:H et celles du Si monocristallin est donnée dans cette section, pour bien comprendre le fonctionnement d’une cellule solaire à couche mince en silicium amorphe hydrogéné.
LES CELLULES SOLAIRES a-Si:H SOUS L’EFFET DE LA LUMIERE
Comparaison entre c-Si et a-Si:H
Le substrat du type p, est épaisse de 300 à 500 µm et la couche n est au-dessus recouverte d’une couche de SiO2. La zone de charge d’espace de la jonction pn ainsi formée ne dépasse pas 0,5 µm. La plupart des paires (e- – trou) sont photogénérées dans le volume de la couche p. Il y a diffusion des électrons minoritaires de la couche p vers la z.c.e, puis drift de ces électrons vers la région n par le champ interne.
On a ici un dispositif de diffusion, car le déplacement des porteurs photogénérés qui domine est la diffusion. Ce qui fait de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires (e- dans un matériau du type p) un paramètre physique du matériau ayant son importance dans la conception et dans les perfomances des cellules solaires en c-Si. Cette valeur est de l’ordre de 250 { 700 µm, correspondant à un matériau de resistivité de 0,25 à 1,0Ω cm.
La longueur de diffusion dans le a-Si:H intrinsèque est beaucoup plus petite dans a-Si:H de 0,1 à 0,3 µm. Dans les couches dopées, où les concentrations en défauts sont de 100 à 1000 fois plus élevées que pour a-Si:H intrinsèque, la longueur de diffusion des porteurs minoritaires est plus petite encore. Ce qui fait qu’une cellule ayant la structure décrite, pour c-Si (jonction pn pure) ne pourra pas fonctionner. Tous les porteurs générés par les photons vont se recombiner avant d’atteindre la z.c.e de la jonction.
Cellule solaire a-Si:H à jonction unique (single junction)
Deux configurations peuvent être adoptées pour la cellule solaire a-Si:H single junction : la structure p-i-n superstsat et la structure n-i-p substrat. Dans la structure pi-n, le substrat utilisé est le verre ou tout autre matériau transparent. La couche p est la première à être déposé, ensuite la couche intrinsèque, et enfin la couche n. Dans la configuration n-i-p , c’est la séquence inverse qui est utilisée pour les dépositions des couches minces. Le substrat est l’acier, acier inoxydable ou autre matériau non transparent. Dans les deux cas, les radiations lumineuses pénetrent le volume de la cellule par la couche p.
Une cellule a-Si :H p-i-n single junction est fabriquée sur un substrat de verre muni d’une couche d’oxyde transparent (Transparent conducting oxide TCO), qui va former l’électrode supérieur. L’électrode inférieure (ou arrière), quant à elle est une couche d’aluminium ou une couche d’argent. La couche active est la couche intrinsèque. Donc, pour optimiser le rendement de la cellule solaire, il faut rendre l’absorption de cette couche intrinsèque maximum, et rendre l’absorption des autres couches minimum.
Par exemple, pour cette optimisation, la couche p est épaisse de 0,01 µm, la couche i de 0,45 µm et la couche n de 0,02 µm [10] . Ce qu’il faut pour cette optimisation, c’est donc augmenter l’absorption de la lumière par la couche intrinsèque, par piégeage de la lumière (light trapping).
Le substrat utilisé est presque toujours un substrat rugueux (verre avec SnO2:F rugueux comme TCO). Une surface rugueuse augmente la longueur de marche d’un rayon et augmente ainsi l’absorption de la lumière .
✔ Dans la plupart des cellules, la lumière pénètre dans la cellule par la couche p. La raison pour ceci est la plus faible mobilité des trous par rapport à celle des électrons. La plupart des porteurs étant générés à la partie supérieure de la cellule, les trous n’auront qu’{ parcourir une distance plus petite pour arriver à leur éléctrode, par rapport à celle des éléctrons.
✔ Les trous photogénérés se dirigeant vers la couche p, la collection de trous s’en trouve augmentée.
✔ Par ailleurs, comme la couche supérieure est la couche p, l’absorption de photons y est forte. Mais les porteurs générés ne peuvent pas contribuer au photocourant à cause des recombinaisons rapides avec les éléctrons qui sont des porteurs minoritaires. C‘est pouquoi un alliage avec le carbone a-SiC:H est utilisé pour diminuer cette absorption.Cet alliage a-SiC:H dont la bande interdite optique est relativement large est appelé couche fenêtre (window layer).
✔ On introduit entre la couche a-SiC:H du type p et la couche intrinsèque, des couches très minces « tampon » ( buffer layers ) pour remédier aux décalages des bandes et pour empêcher la diffusion des éléctrons photogénérés vers la couche p.
✔ Le contact inférieure est formé en déposant une couche de ZnO suivi d’une couche d’Ag sur la couche a-Si :H du type n. Cette double couche est réputée pour sa très haute reflectivité, augmentant ainsi l’absorption de la lumière dans la bande au dessus de 600nm.
Cellules Solaires a-Si:H à Jonctions Multiples
Le problème de dégradation des performances d’une cellule solaire peut être solutionné (en partie) en utilisant une couche intrinsèque plus mince. Le champ électrique interne plus intense sera moins sensibles aux déformations. Mais une couche intrinsèque plus mince signifie aussi absorption moindre de lumière.
Une solution pour obtenir une meilleure stabilité et une absorption de lumière équivalente à celle d’une cellule single junction, est de superposer deux cellules single junction ( ou même plus). On obtiendra alors une cellule à jonctions double, ou une cellule à jonctions triples ou une cellule à jonctions multiples. Néanmoins, l’épaisseur total d’une cellule à jonctions multiple est équivalente à celle d’une cellule single junction, mais avec des cellules composantes plus minces, donc moins sensibles aux défauts induites par les radiations lumineuses. Un autre avantage de l’utilisation d’une cellule à jonctions multiples est l’augmentation de la bande de fréquence des radiations absorbées. Ceci se fait en superposant des cellules dont les matériaux intrinsèques ont des bandes interdites optiques différentes (cellules à bandes interdites multiples). On peut par exemple utiliser une cellule avec couche intrinsèque a-Si:H sur une cellule avec couche intrinsèque a-Si:H .
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : PHYSIQUE DES CELLULES SOLAIRE A BASE DE a-Si:H
1.1 Introduction
1-2 Le silicium amorphe hydrogéné
1.2.1. Structure atomique
1.2.2 Densité d’états d’énergie
1.2.3 Propriétés optiques
1.2.4. Propriétés électriques
1.2.5. Dopage du a-Si:H
Chapitre II : LES CELLULES SOLAIRES a-Si:H
2.1 Comparaison entre c-Si et a-Si:H
2.2 Cellule solaire a-Si:H à jonction unique (single junction)
2.3 Cellules Solaires a-Si:H à Jonctions Multiples
2.4. Dégradation des cellule en a-Si:H
2.4.1. Introduction
2.4.2 Formation des défauts métastables
2.4.3 Modèle WB (WeakBound)
2.4.4 Le modèle Defect Pool (mare de défauts)
Chapitre III : RESULTAT DE LA SIMULATION DE LA DEGRADATION DES a-Si:H
3.1 Introduction
3.2 Le modèle de Stutzmann,Jackson et Tsaï (SJT)
3.3 Modélisation de la dégradation utilisant directement le modèle SJT
3.3.1 Coefficient d’évolution de la densité d’états
a) Evaluation du coefficient d’évolution
b) Coefficient d’évolution pour les différents états des liaisons pendantes
c) Signification du taux de recombinaison dans le modèle de dégradation
d) Méthode de calcul
3.3.2 Résultats ses Simulations
Evolution des facteurs k avec le temps d’exposition à la lumière
Effet de CSW sur la courbe de dégradation
Effets de CSW sur la densité de défauts en fonction de la position dans la cellule
Conclusion
3.3 Modélisation de la dégradation utilisant le modèle SJT avec un terme d’annealing
3.3.1 Modélisation et méthode de calcul
3.3.2 Résultats de simulation
3.4 Interprétation de l’utilisation des deux modèles SJT dans l’étude de la cinétique de dégradation de la cellule solaire en silicium amorphe hydrogéné
CONCLUSION
ANNEXE A : LES PARAMETRES DES CELLULES SOLAIRES
ANNEXE B : UTILISATION DU PROGRAMME ASA
REFERENCES
