Soutenance mémoire
Représentation d’une cellule bifaciale
Structure technologique de la cellule
L’émetteur de type n + : Il représente la partie la plus dopée de la cellule. Son taux de dopage est compris entre 10¹⁷ et ¹⁹ atomes par cm3 en atomes donneurs. Son épaisseure est très petite par rapport à celle de la base et égale à quelques millièmes de mm. Son fort taux de dopage permet d’augmenter le rendement de la cellule en réd uisant les pertes internes de celle-ci caractérisées par la résistance série de l a structure. Il permet également d’avoir une très grande tension de circuit ouvert (V CO). Cette partie de la cellule est aussi appelée face avant de l a photopile et peut r ecevoir de la lumière incidente.
La base de typ e p+ : Cette partie est relativement peu dopée (entre 10¹⁵ à 10¹⁷ atomes par cm3 ) en atomes accepteurs. Mais son épais seur est beaucoup plus importante que celle de l’émetteur. Elle peut s’élever jusqu’à 400 μm.Etant de type p, cette partie de la structure présente un défaut d’électrons (porteurs minoritaires). L’étude caractéristique de la cellule portera essentiellement sur cette partie qui est la zone de prédominance des phénomènes de génération, de recomb inaison et de diffusion.
La face arrière de la base P + : Sur cette face arrière de la base un surdopage de type p + permet l’existence d’un champ arrière (Back Surface Field : B.S.F) [ II.8]. Le rôle de ce champ est de renvoyer vers l’interface émetteur -base les porteurs minoritaires générés près de la face arrière.
La jonction émetteur -base ou zone de charge d’espace):Lorsqu’on met en contact les deux semi -conducteurs dopés différemment (émetteur de type n et base de type p) alors on obtient une jonction où règne un champ électrique très intense. Ce champ permet la séparation des paires électron-trou qui arrivent à la jonction. Ainsi un rayon lumineux qui frappe la cellule peut pénétrer dans le cristal à travers la grille collectrice et provoquer l’apparition d’une tension électrique autour de la jonction.
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 [II-9] 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. Une couche d’anti-reflet est déposée sur ces deux électrodes pour augmenter la quantité de lumière absorbée par la cellule.
Une photopile est caractérisée par un générateur de courant GI qui débite un courant I ph. Ce courant est d’autant plus élevé que l’éclairement est intense. Autrement dit ce courant est directement proportionnel au f lux lumineux qui frappe la cellule.
Etant donné que la photopile n’est pas un composant actif, dans l’obscurité pour matérialiser cet état de fait ce générateur de courant est en parallèle avec une diode D qui symbolise la cellule dans l’obscurité. Autre ces deux paramètres , deux résistances modélisent le s pertes internes de la photopile :
– Une résistance série R s qui caractérise les pertes ohmiques dues à la résistance du matériau de la cellule et à la résistance des contacts électriques.
– une résistance shunt Rsh représentant les courants de parasites qui traversent la cellule. Ces courants sont l iés au phénomène de recombinaison des porteurs minoritaires à la jonction via le s états d’interface et les ét ats de surface de la cellule.
Taux de génération des porteurs minoritaires et phénomène de recombinaison
Taux de génération des porteurs minoritaires
La transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique au moyen d’une photopile passe d’abord par une ab sorption de photons et en suite par une création de paires électron-trous. Cette génération de pai re électron-trous est intimement liée au taux d’absorption de la lumière (photons) et de la composition du spectre solaire. En tenant compte de la somme des contributions provenant de chaque longueur d’onde du spectre solaire .
Pour i supérieure à trois , cette série est négligeable telqu e cela a été défini à partir de la modélisation du spectre d’absorption lumineuse [ II-10].Les termes de l’équation (2 -1) du taux de génération sont définis comme suit :
– H est l’épaisseur de la base,
– Les coefficients a i et bi sont obtenues à travers des valeurs tabulées de l’éclairement solaire. Pour un éclairement se faisant sous AM1.5 donné ces valeurs sont :
a1=6,13.10²⁰ cm-3.s-1 ; a2=0,54.10²⁰cm-3.s-1; a3=0,0991.10²⁰cm-3.s-1 b1=6630cm-1; b2=10³ cm-1; b3=130cm-1,
– n est appelé nombre de soleil liant la puissance incidente réelle à la puissance de référence pour un spectre solaire donné. Ce terme permet de connaître les conditions d’éclairement de la photopile.
Phénomène de recombinaison
Lorsqu’une photopile est éclairée, des photons sont absorbé s par celle-ci et chaque photon donne naissance à une paire électron trou. Et on parle de phénomène de génération des porteurs. Par contre lorsque cette excitation qui a donné naissance à la création des porteurs minoritaires de charges (paires électron-trous) disparaît alors ces porteurs en excès reviennent à leur état d’équilibre. Ce processus physique de retour à l’état d’équilibre qui annule la séparation des paires électrons trous est connu sous le nom de phénomène de recombinaison. Ce phénomène de recombinaison des porteurs d e charges photogénérés a pour conséquence la limitation des performances de la photopile. Il réduit la collecte des charges et par conséquent le rendement de la photopile. On peut noter deux types de recombinaison :
➤ recombinaisons en surface liées aux défauts de structure qui interviennent par les conditions aux limites (à la jonction et en face arrière),
➤ recombinaisons en volumes lié es à la durée de vie des porteurs minoritaires. Ces recombinaisons sont principalement:
– la recombinaison Shockley Read Hall,
– la recombinaison dans l’émetteur,
– la recombinaison Auger,
– la recombinaison radiative .
Ces recombinaisons sont caractérisées par un certain nombre de paramètres phénoménologiques tel que la durée de vie des porteurs, la longueur de diffusion et les vitesses de recombinaison à la jonction et à la face arrière de la base. Pour la détermination de ces paramètres de recombinaison nous utiliserons l’équation de continuité.
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Table des matières
Introduction générale
Références bibliographiques
Chapitre I : Etude bibliographique
I)Introduction
II) Etude bibliographique
Conclusion
Bibliographie
Chapitre II : Etude théorique en régime statique d’une photopile bifaciale au silicium polycristallin sous éclairement multispectral constant : techniques de détermination des paramètres de recombinaison
Introduction
II-1 Représentation d’une cellule bifaciale
II-1-1) Structure technologique de la cellule
II-1-2) Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire
II-2 Taux de génération des porteurs minoritaires et phénomène de recombinaison
II-2-1) Taux de génération des porteurs minoritaires
II-2-2) Phénomène de recombinaison
II-3 Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur x dans la base
II-3-1) Généralités
II-3-2) Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur dans la base pour un éclairement face avant de la photopile
II-3-3) Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur x dans la base pour un éclairement face arrière de la photopile
II-3-4) Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur x dans la base pour un éclairement simultané des deux faces
II-4 Etude de la densité du photocourant de la cellule pour différents modes d’éclairement
II-4-1) Généralités
II-4-2) Etude de la densité de photocourant de la photopile pour un éclairement par la face avant
II-4-3) Densité de photocourant pour un éclairement par la face arrière
II-4-4) Photocourant pour un éclairement simultané des deux faces de la photopile
II-4-5) Etude comparative des photocourants pour différents modes d’éclairement de la photopile
II-5 Densité de photocourant de court circuit en fonction de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires
II-5-1) Généralités
II-5-2) Densité du courant de court circuit en fonction de la longueur de diffusion pour un éclairement par la face avant de la photopile
II-5-3) Densité du courant de court circuit en fonction de la longueur de diffusion pour un éclairement par la face arrière de la photopile
II-5-4) Densité de courant de court circuit en fonction de la longueur de diffusion pour un éclairement simultané des deux faces de la photopile
II-5-5) Etude comparative des densités de photocourant de court circuit pour les différents modes d’éclairement
II-5-6) Rapport des densités de photocourant de court circuit
II-6 Etude de la Phototension
II-6-1) Généralités
II-6-2) Phototension pour un éclairement par la face avant
II-6-3) Phototension pour un éclairement par la face arrière
II-6-4) Phototension pour un éclairement simultané des deux faces
II-6-5) Etude comparative des phototensions pour différents types d’éclairement
II-7 Caractéristiques tension-courant (I-V) de la photopile pour différents niveaux d’éclairement
II-7-1) Généralités
II-7-2) Caractéristiques I-V pour un éclairement par la face avant de la photopile
II-7-3) Caractéristiques I-V pour un éclairement par la face arrière de la photopile
II-7-4) Caractéristiques I-V pour un éclairement simultané des deux faces de la photopile
II-7-5) Etude comparative des caractéristiques I-V pour différents modes d’éclairement
II-8 Phototension en fonction du taux de dopage de la base pour différents types d’éclairement de la photopile
II-8-1) Généralités
II-8-2) Coefficient de diffusion en fonction du taux de dopage de la base
II-8-3) Phototension en fonction du taux de dopage de la base Nb pour un éclairement par la face avant
II-8-4) Phototension en fonction du taux de dopage Nb de la base pour un éclairement par la face arrière
II-8-5) Phototension en fonction du taux de dopage Nb pour un éclairement simultané des deux faces
II-8-6) Etude comparative des phototensions en fonction du taux de dopage Nb pour différents types d’éclairements
II-9 Vitesse de recombinaison à la face arrière de la photopile en fonction de la longueur de diffusion
II-9-1) Généralités
II-9-2) Vitesse de recombinaison à la face arrière de la photopile en fonction de la longueur de diffusion pour un éclairement par la face avant
II-9-3) Vitesse de recombinaison à la face arrière de la photopile en fonction de la longueur de diffusion pour un éclairement par la face arrière
II-9-4) Vitesse de recombinaison à la face arrière de la photopile en fonction de la longueur de diffusion pour un éclairement simultané des deux faces
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre III : Techniques de détermination des paramètres de recombinaison des porteurs minoritaires de charge
Introduction
III-1 Dispositif expérimental
III-2 Techniques de détermination des paramètres de recombinaison et résultats expérimentaux
III-2-1) Technique de détermination de la longueur de diffusion effective
III-2-1-1)Généralités
III-2-1-2)Technique de l’intersection des courbes théorique et expérimentale des courants de court circuit(T.I.C.C.C)
a) Eclairement par la face avant de la photopile
b) Eclairement par la face arrière de la photopile Eclairement simultané des deux faces de la photopile
III-2-1-3)Technique de l’intersection des courbes théorique et expérimentale du rapport des courants de court circuit (T.R.C.C.C)
III-2-2) Détermination de la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction : Technique de l’intersection des courbes de tension de circuit ouvert (T.I.C.T.C.O)
III-2-2-1)Généralités
III-2-2-2)Détermination de la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction pour un éclairement par la face avant de la photopile
III-2-2-3)Détermination de la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction pour un éclairement par la face arrière de la photopile
III-2-2-4)Détermination de la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction pour un éclairement simultané des deux faces de la photopile
III-2-3) Détermination de la vitesse de recombinaison à la face arrière de la photopile
III-2-4) Résultats expérimentaux
III-3 Etude des incertitudes sur la détermination de la longueur de diffusion
III-3-1) Etude des incertitudes dans la détermination de la longueur de diffusion par la T.C.C.C. pour un éclairement simultané des deux faces
III-3-2) Etude des incertitudes dans la détermination de la longueur de diffusion par la T.R.C.C.C
Conclusion chapitre III
Bibliographie
Conclusion générale
