Memoire Cellule Solaire PC1D PDF [PDF]

Zitiervorschau

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE SAIDA MOULAY TAHAR FACULTE TECHNOLIGIE DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE

Mémoire De fin d’étude pour l’obtention du diplôme

Master en Télécommunication Option : Composant et Système pour la Télécommunication

Thème Simulation et étude des performances d’une cellule solaire à base de silicium amorphe (a-Si)/silicium cristalline (c-Si)

Par Djeldjli Kheira Soutenu le : 22 Juin 2017

Devant la commission d’examen :

Mme. Boukhalfa .M

Docteur à l’Université Saida Molay Taher

Mr . Harzellaoui .A

Maitre assistant à l’Université Saida Molay Taher

Président

Mr . Bouarfa .A

Docteur à l’Université Saida Molay Taher

Examinateur

Année universitaire 2016-2017

Encadreur

Remerciement

Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Laboratoire de Traitement de signal à l’université Dr.Moulay Tahar à Saida.

Je voudrai très sincèrement remercier à mon Directeur de mémoire Madame Boukhalfa Malika, Je la remercie de m’avoir encadrée, orientée, aidée et conseillée et d’avoir était toujours à l'écoute et très disponible tout au long de la réalisation de ce mémoire et sans qui ce mémoire n'aurait jamais vu le jour.

J’adresse mes sincères remerciements à Mme Hamou, la directrice de laboratoire de traitement de signal et à tous les professeurs qui ont accepté d’examiner ce mémoire et de participer à ce jury. Je n’oublie pas mes amis, qui grâce à leur présence m’ont permis de toujours garder le moral. Je ne peux malheureusement tous vous citer mais je vous adresse ici mes plus grands remerciements pour toutes ces années.

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Dédicace

A la mémoire de mon cher père Ahmed « Rien au monde ne vaut les efforts fournis jour et nuit pour mon éducation et mon bien être. Ce travail est le fruit de tes sacrifices que tu as consentis pour mon éducation et ma formation. » A mon très chère maman Zohra « Aucune dédicace ne saurait être assez éloquente pour exprimer ce que tu mérites pour tous les sacrifices que tu n’as cessé de me donner depuis ma naissance, durant mon enfance et même à l’âge adulte. Puisse Dieu, le tout puissant, te préserver et t’accorder santé, longue vie et bonheur. »

A mon très cher frère Lakhdar, son épouse Sara Et leur petite fille Afnane « Mon cher frère qui m’est le père et la mère, les mots ne suffisent guère pour exprimer l’attachement, l’amour et l’affection que je porte pour vous. » A mon très cher frère Noureddine « Mon cher petit frère présent dans tous mes moments d’examens par son soutien moral et ses belles surprises sucrées. » A ma très chère sœur Salima « Qui n’a cessé pas d’être pour moi un exemple de courage, générosité et qui m’a accompagnait durant mon chemin de ma vie »

A tous les membres de ma famille

Je dédis ce travail également à tous ceux qui m’aime.

1 Résumé La technologie des cellules solaires à hétérojonctions silicium amorphe (a-Si)/silicium cristallin (c-Si) consiste à déposer des couches de silicium amorphe sur des substrats de silicium cristallin, ce qui présente l’avantage de fabriquer des cellules solaires à haut rendement. Dans ce travail, nous avons essayé de savoir les effet des paramètres technologiques sur les caractéristique I-V et le rendement (ŋ) d’une cellules solaires à base de (a-Si)/ (c-Si) par la variation de (le dopage, l’épaisseur, la durée de vie, la puissance , la surface de composant , le dopage la vitesse de recombinaison et la durée de vie des porteurs minoritaires ) . Notre étude est effectuée par simulation numérique à l’aide du logiciel PC1D. Les caractéristiques électriques de la cellule solaire (courant de court-circuit Icc, la tension de circuit ouvert Vco , et le rendement η),trouvés sous un éclairement AM1.5 et température 300 K° et un puissance incidente de 0.1 w/cm2 Mot clés : cellule solaire , hétérojonction, PC1D, Silicium.

Abstract The technology of amorphous silicon (a-Si) / crystalline silicon (c-Si) hetero-junction solar cells consists in depositing layers of amorphous silicon on crystalline silicon substrates, which has the advantage to manufacture high efficiency solar cells. In this work, We tried to know the effect of the technological parameters on the I-V characteristic and the

efficiency (ŋ) of (a-S) / c-Si) silicon solar cell by varying (doping, thickness, bulk recombiniason , power, area of the device and surface rear recombinaison ).

Our study is carried out by numerical simulation using PC1D software. The electrical characteristics of the solar cell (the short circuit current density Icc, the open circuit voltage Vco, and the efficiency η),found under illumination AM1.5 and temperature 300 K ° are such that Key words: solar cell, heterojonction, silicium, PC1D.

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‫‪1‬‬ ‫الملخص‬ ‫إى تكهولوجيا اخلاليا الضوئية مو نوع متغايز (‪ A-SI )N(/-SIC )P‬تعتمد على وضع طبقات مو السيلكوى الغري مبلور (‪ )a-SI‬على‬ ‫السيلكوى املبلور )‪ (c-SI‬لتصهيع خاليا مشسية عالية الكفاءة ‪.‬‬ ‫يف يذا العمل حاولها معزفة تأثري(التشويب‪ ،‬مسك الطبقات ‪،‬الطاقة ‪،‬مساحة املكوى ‪ ،‬عمز و سزعة إعادة الرتكيب حامالت الهواقل) على‬ ‫خصائص التيار(‪ )I‬و اجلًد)‪(V‬‬ ‫متت الدراسة عو طزيق احملاكاة العددية باستخدام بزنامج‬

‫‪ PC1D‬اخلصائص الكًزبائية للخاليا الشمسية ( ‪ VCO , ICC‬و الكفاءة‬

‫‪)ŋ‬وجدت حتت إضاءة (ودرجة حزارة ‪ 300°‬وطاقة داخلية‪) Pi‬‬

‫املتغايز‬ ‫‪,‬‬ ‫كلمات مفتاحيٌ ‪ :‬السليسيوم ‪ PC1D ،،‬اخلاليا الشمسية‪ ،‬الهوع‬

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Liste des figures et de tableaux Chapitre I : Généralité sur l’énergie renouvelable Figure I.1 Les déférentes types des énergies renouvelables ………………………………………………...10 Figure I.2 La ressource solaire ‘Le Soleil’……………………………………………...................................11 Figure I.3 L’exploitation de l’énergie solaire photovoltaïque ……………………………………………....12 Figure I.4 Les différents modes d'exploitation de I 'énergie solaire…………………………………………12 Figure I.5 L’exploitation d’énergie de vent par les éoliennes ……………………………………………....13 Figure I.6 L’exploitation de l’énergie hydraulique (a)Utilisant des barrages (b) La roue à aubes du moulin…………… ……………………………………….14 Figure I.7 7L’exploitation de l’énergie hydraulique par les houles ………………………………………...14 Figure I.8 L'énergie biomasse……………………………………………………………………………….15 Figure I.9 L’exploitation de l'énergie de la Géothermie pour la production des chaleurs …………………16

Chapitre II : Conversion photovoltaïque principe de fonctionnement Figure. II.1 Radiation spectral pour différent air masses…………………………………………21 Figure II .2Les trois cas de figure illustrant l’absorption d’un photon unsemiconducteur………………………………………………………………………………….23 Figure II .3Représentation du gap direct et indirect dans un semiconducteur……………………..24 Figure II.4Principe d’une cellule photovoltaïque…………………………………………………..25 Figure II .5 Principe de la conversion photo-électrique…………………………………………..26 Figure II.6Incidence, réflexion et réfraction de la lumière à l’interface air/semi-conducteur…………………………………………………………………………………26 Figure II.7Absorption exponentielle de la lumière par le semi-conducteur………………………..28 Figure II.8 Evolution de () pour différents matériaux semi-conducteurs……………………….29

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Liste des figures et de tableaux Figure II.9Les types de recombinaisons non radiatives ………………………………………..32 Figure II.10Jonction PN à l’équilibre……………………………………………………………33 Figure II .11 La caractéristique courant-tension d’une cellule sous l’éclairement et sous l’obscurité…………………………………………………………………………………...34 Figure II.12 Rendement quantique externe de la cellule solaire et les d’efférents types de pertes………………………………………………………………………………………36 Figure II.13Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle………………………………37 Chapitre III. Cellule photovoltaïque industriels Figure III.1Utilisation des matériaux photovoltaïques en 2003.…………………………………...42

Figure III.2Arrangement tétraédrique de liaison dans le Si monocristallin………………………...43

Figure III.3Distribution de densité d'états dans la structure cristalline……………………………43

Figure III.4Structure cubique de silicium amorphe……………………………………………….44 Figure III.5Distribution de densité d'états dans la structure amorphe……………………………44 Figure III.6Technique de tirage de c-Si (méthode de Czochralski)………………………………47

Figure III.7Lingots de c-Si obtenus par tirage Czochralski………………………………………47 Figure III.8Structure d’une cellule photovoltaïque industrielle en silicium………………………48 Figure III.9Plaquettes de silicium après l’opération d’usinage……………………………………48

Figure IV.10Les étapes de fabrication d’une cellule photovoltaïque industrielle en silicium

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Liste des figures et de tableaux A-

Décapage

B-

Texturation

C-

Dopage par diffusion

D-

Bords de plaque

E-

Couche antireflet

F-

Champ face arrière

G-

Métallisation………………………………………………………………………………...49

Chapitre IV : Simulation et interprétation Figure IV.1. Fenêtre du logiciel PC1D …………………………………………………………….56 Figure IV.2. Le model de simulation………………………………………………………………57 Figure IV.3. Les caractéristiques I=f(V) de la cellule solaire a-si(n)/c-si(p) sans et sous éclairement…………………………………………………………………………………58 Figure IV.4. Effet de la variation de l’épaisseur de la zone frontale (zone N) sur la caractéristique I=f(V) pour : (a) 0.01µ𝑚 ≤ 𝑒 ≤ 1 𝜇𝑚(b) 2 µ𝑚 ≤ 𝑒 ≤ 12 𝜇𝑚……………60 Figure IV.5. Effet de la variation de l’épaisseur de la zone P sur la caractéristique I=f(V).……………………………………………………………………….61 Figure IV.6. Effet de dopage sur la caractéristique I=f(V). (a) Région N (b) Région P…………………………………………………………………………61

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Liste des figures et de tableaux Figure IV.7. L’effet de la variation de la surface du dispositif sur la caractéristique I=f(V)…………………………………………………………………….62 Figure IV.8. L’effet de la vitesse de recombinaison en surface sur la caractéristique I=f(V)……………………………………………………………………..63 Figure IV.9. L’effet de la durée de vie pour des porteurs minoritaires sur la caractéristique I=f(V)………………………………………………………………………64 Figure IV.10L’effet de la réflectance sur la caractéristique I=f(V) ………………………………………………………………………65 Figure IV.11L’effet de la puissance incidente sur la caractéristique I=f(V) ………………………………………………………………………65 Figure IV.12.Le rendement d’une cellule solaire a-Si(N)/c-Si(p)………………………………66 Figure IV.13.L’effet de l’épaisseur de la région (N) sur le rendement (ŋ)………………………………………………………………………………67 Figure IV.14.L’effet de dopage de la région (N) sur le rendement (ŋ) (a)e=0.1µm (b) e=10µm……………………………………………………..……..……………..68 Figure IV.15.L’effet de surface de dispositif sur le rendement (ŋ) (a) e=0.1µm (b) e=10µm…………………………………………………………………………69 Figure VI.16.L’effet de taux de recombinaison (𝜏) sur le rendement (ŋ) (a) e=0.1µm (b) e=10µm…………………………………………………………………………70

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Liste des figures et de tableaux Liste des tableaux Tableau II.1 Absorption optique de quelques matériaux photovoltaïques ………………………………….29 Tableau III.1 Quelques propriétés du silicium ………………………………………………………………38 Tableau III.2 Les principaux matériaux utilisés pour les contacts de face avant et arrière………………….46 Tableau IV.1 Paramètres fixes des régions a-Si(N) et c-Si(P) ……………………………………………..53

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Liste des symboles et des abréviations Liste des symboles ʎ: la longuer d′ onde (μm) h : constante de Planck « eV.s » 𝒗 : Fréquence de photon« s-1 » C : vitesse de la lumière « m/s » DnDp : Coefficient de diffusion des électrons et des trous « cm2/s » Ln Lp:longueur de diffusion du porteur minoritaire dans le matériau n et p « µm » 𝒒: la charge élementaire« 𝑪 ». 𝒌B: La constante de Boltzmann « J/𝐾 ». 𝑻: La température en « 𝑲 ». 𝑽: La tension aux bornes de la cellule photovoltaïque en « 𝑽 ». 𝑰: Le courant délivré par la photopile en « 𝑨 ». 𝑰𝒑𝒉: Le photo-courant en « 𝑨 ». Iobs : Le courant d’obscurité en« 𝑨 » I dark : dark current en« 𝑨 » 𝑰𝒔 : Le courant de saturation en « 𝑨 ». 𝒏: Le facteur de non idéalité de la jonction. 𝑹𝒔 : Résistance série caractérisant les diverses contacts et connexion, en « 𝛀. » 𝑹𝒔𝒉: Résistance shunt qui modélise les courants de fuites de la jonction, en « 𝛀 » 𝑰𝑪𝑪: Courant de court-circuit (obtenu pour V=0).« 𝑨 ». 𝑽𝐂𝐎 : Tension en circuit ouvert (obtenu pour I=0).«V ». 𝑰𝐌: Courant à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule photovoltaïque.« 𝑨 ». 𝑽𝐌: Tension à la puissance maximale de fonctionnement de la photopile « V». 𝑭𝑭: Le facteur de forme, appelé également fill-factor. « % » 𝜼 : Rendement de conversion« % »

P𝒊 : Puissance d’éclairement reçue par unité de surface « W/cm2» 𝑺: Surface de la cellule solaire sous l’éclairement.« cm2» SnSp : vitesse de recombinaison en surface des électron, trou « cm/s» Page 12

Liste des symboles et des abréviations 𝝉𝒑 𝝉𝒏 :laduré de vie des portraire minoritaire « µs » R(ʎ) : le coefficient de réflexion de la lumière T(ʎ ) : le coefficient de transmissionde la lumière α( ν)α(ʎ) :le coefficient d’absorption de la lumière A(ʎ,x) : le taux d’absorption volumique G (ʎ, 𝒙 ) :le taux de Génération volumique de paires (𝑒 − 𝑒 + )

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Liste des symboles et des abréviations Liste des abréviations ZCE : Zone de charge d’espèce Eg : énergie de gap AM0 : spectre solaire hors atmosphère AM1.5 G ;spectre solaire terrestre « global » AM :Air mass PC1D :Personal computer one dimension BV : bande de valence BC : bande de conduction BI : la bande interdite IR : infra rouge (𝒆−𝒆+) : Paire électron trou

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Introduction Générale

Introduction générale

Nous sommes à la veille d'un profond changement en ce qui concerne notre production et utilisation d'énergie. Ce changement fera basculer le monde d'une consommation de combustibles fossiles peu économiques et nuisibles d'un point de vue écologique, vers des formes d'énergies plus propres et efficaces. Tous les jours nous brûlons de grandes quantités d'essence, de pétrole, de charbon et de gaz naturel. Ces sources d'énergie importantes alimentent nos automobiles, font marcher notre économie et fournissent de l'électricité. Toutefois, l'utilisation de ces combustibles fossiles produit aussi des gaz à effet de serre nuisibles. Ces gaz s'accumulent dans notre atmosphère et créent une barrière qui, comme le vitrage d'une serre, empêche la chaleur excessive de la Terre de s'échapper, comme les fenêtres d'une serre. À mesure que la barrière s'épaissit, la température de la Terre augmente. Cela intensifie l'effet de serre naturel et induit des changements climatiques. Les problèmes liés à l'environnement constituent aujourd'hui une préoccupation fondamentale et nécessaire pour assurer la survie des espèces et permettre des conditions de vie décente pour les générations présentes et futures. C'est dans cette optique que plusieurs conférences organisées par les Nations Unis pour la protection de la nature, se sont tenues et portaient sur la protection et la gestion des espèces et de la biodiversité. Elles visaient dans une logique politico-financière à maîtriser les défis urgents du XXIème siècle en matière de durabilité. Ce sont entre autre l'inégale répartition de l'eau et les changements climatiques qui demeurent des questions déterminantes pour la protection de toute vie sur notre planète. Partant de là, nous pourrons définir le réchauffement planétaire comme étant une action de donner la chaleur ou de rendre plus chaud les éléments composants la planète. Le réchauffement planétaire est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des océans et de l'atmosphère, à l'échelle mondiale et sur plusieurs années. Pour sens commun, ce terme désigne le changement climatique observé sur le globe terrestre depuis environs vingt-cinq ans, c'est-à-dire depuis la fin du XXème siècle. Le réchauffement climatique en lui-même est un phénomène naturel. Car bien avant la révolution industrielle « les sociétés ont du faire face à des changements graduels ou abrupts du climat durant des millénaires ». Les variations de températures de l'atmosphère sont généralement liées à différents facteurs comme les fluctuations de l'activité du soleil ou la vitesse de la terre. Mais la majorité des scientifiques

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Introduction générale pensent que la cause majeure du réchauffement actuel de la planète un phénomène, appelé « effet de serre ». "L'effet de serre " est un phénomène naturel de la basse atmosphère (troposphère), qui contribue à retenir une partie de la chaleur solaire à la surface de la Terre, par le biais du pouvoir absorbant de certains gaz. Ces gaz sont : l'Azote (N2), l'Oxygène (O2), l'eau sous forme de vapeur (H2O), le Dioxyde de Carbone (CO2), le Méthane (CH4) , l'Ozone Troposphérique (O3) , l'Oxyde Nitreux (N2O) , ainsi que le Chlorofluorocarbure (CFC). En effet le rayonnement solaire est émis sous forme de courtes longueurs d'ondes, dont 30% sont faiblement réfléchies par l'atmosphère et 70% parviennent à la surface de la terre, ce qui provoque un réchauffement de cette dernière. En réponse à cette absorption de chaleur, la surface terrestre émet un rayonnement de grandes longueurs d'onde (infrarouge) en direction de l'espace par certains gaz de l'atmosphère dits « gaz a effet de serre » qui renvoient une partie de ce rayonnement vers la terre. Ces gaz empêchent ainsi le refroidissement et donc son réchauffement. De nos jours, une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir des énergies fossiles, la consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. Le danger supplémentaire est qu’une consommation excessive du stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures, et aussi face aux multiples crises économiques et pétrolières la science s’est intéressée aux ressources dites renouvelables qui constituent un secteur stratégique et occupent une place privilégiée dans les domaines de recherche et développement. Aujourd’hui on distingue plusieurs sources d’énergies renouvelables, ▪

l’énergie hydroélectrique

▪

l’énergie géothermique

▪

l’énergie de la biomasse

▪

l’énergie éolienne

▪

l’énergie solaire photovoltaïque

Excepté l'énergie géothermique qui provient de la chaleur des profondeurs de la Terre, ces sources d'énergies proviennent directement ou indirectement du Soleil. Elles sont donc disponibles indéfiniment.

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Introduction générale Parmi ces différents moyens de génération de l'électricité, l'énergie solaire photovoltaïque – c'est-à-dire la génération d'électricité à partir de la lumière - est la plus récente elle a l’avantage d’être non polluante, souple et fiable. Elle est produite par un dispositif de conversion appelé "cellule solaire" basé sur un effet dit "l'effet photovoltaïque". Les matériaux de base utilisés pour fabriquer les cellules solaires photovoltaïques sont les semiconducteurs qui possèdent un gap suffisamment faible pour absorber le maximum du spectre solaire. De tous les semi-conducteurs qui possèdent un tel gap, le silicium est le plus prometteur car il est nontoxique et très abondant sur la terre. De plus, ce matériau étant déjà à la base de toute la technologie de l'électronique.1 La présentation de ce travail a été répartie sur quatre chapitres avec au début une introduction générale et se termine à la fin par une conclusion générale. Le premier chapitre regroupe une généralité sur les déférentes énergies renouvelables. Dans le deuxième chapitre, on fait un rappel aux notions générales sur les cellules photovoltaïques "principe de conversion et fonctionnement Ainsi que les caractéristique et le schéma électrique d’une cellule solaire " le troisième chapitre est consacré aux cellules solaires photovoltaïques à base d’hétérojonction silicium amorphe/silicium monocristallin ou "a-Si / c-Si". Dans le quatrième chapitre, regroupe une présentation du logiciel, la simulation et une discussion des résultats obtenus sur l’influence des paramètres technologiques sur la réponse de la cellule solaire simulée à savoir, la caractéristique I-V et le rendement externe de la cellule. Le travail se termine enfin par une conclusion générale.

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Chapitre I Les énergies Renouvelables

Les énergies renouvelables I. INTRODUCTION Les activités humaines ont engendré d'énormes bouleversements à l'échelle continentale et planétaire, en particulier par l'usage de combustibles fossiles. Le phénomène de réchauffement climatique expliqué par l'accroissement anthropique de "l'effet de serre", manifeste déjà ses effets : ▪

fonte des calottes polaires

▪

migration ou disparition d'espèces animales et végétales, etc [1].

Quant à l'énergie nucléaire, dont l'exploitation ne semble pas entraîner ce type de conséquences du fait qu'elle ne rejette aucun "gaz à effet de serre", elle reste dépendante de ressources limitées et ses rejets sont tellement potentiellement dangereux (déchets radioactifs) qu'il est nécessaire de les enfouir dans des "décharges" où il est souhaitable que personne ne vienne s'aventurer avant un bon million d'années. En effet, l'énergie nucléaire ne sera une solution intéressante à long terme que si l'on résout (au moins) le problème de la production de ses déchets mais aujourd'hui, c'est encore loin d'en être le cas. Le développement durable est devenu une priorité au niveau mondial pour offrir aux générations suivantes une planète en bonne voire en meilleur état que nous l’avons trouvé.

Figure I .1 les déférentes types des énergies renouvelables

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Les énergies renouvelables II.DEFINITION D’ENERGIE RENOUVLABLE Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Soulignons que le caractère renouvelable d'une énergie dépend non seulement de la vitesse à laquelle la source se régénère, mais aussi de la vitesse à laquelle elle est consommée. En d'autres termes, sa vitesse de formation doit être plus grande que sa vitesse d'utilisation. Ainsi nous distinguons cinq grandes familles d’énergie renouvelable qui sont : II.1 L'énergie solaire C’est l'énergie produite par le rayonnement Solaire traversant directement l'atmosphère. L’homme utilise l'énergie solaire pour la transformer en d'autres formes d'énergie.

Figure I.2. La ressource solaire ‘Le Soleil’ L’expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l'électricité ou l'énergie thermique obtenue à partir de cette dernière, et elle comprend :  L’énergie solaire photovoltaïque Elle provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semiconducteurs comme le silicium. Ces matériaux, dits photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’un rayonnement extérieure, « C’est l’effet photovoltaïque » [1]. L’énergie est apportée par les photons, (composants de la lumière) qui heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant électrique. Ce courant continu peut être transformé en courant alternatif grâce à un onduleur. L’électricité produite est disponible sous forme d’électricité directe ou stockée en batteries ou en électricité injectée dans le réseau. Page 17

Les énergies renouvelables

Figure I.3 L’exploitation de l’énergie solaire photovoltaïque  L’énergie solaire thermique Cette forme d’énergie, quant à elle, fonctionne différemment, en produisant de la chaleur à partir du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer de l'eau, de l'air ou un autre fluide.  L'énergie solaire thermodynamique Sa fonction est de chauffer un fluide à haute température (plusieurs centaines de degrés) afin de générer de la vapeur par échange thermique pour ensuite produire de l'électricité au moyen d'une turbine à vapeur. Parmi les formes d’énergies solaires citées, celle-ci est la moins répandue.

Figure I.4. Les différents modes d'exploitation de I 'énergie solaire [3]

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Les énergies renouvelables

II.2 L’Énergie Éolienne C’est une énergie dont l’origine est le soleil mais produite par le vent qui n’est autre que un déplacement des masses d’air. En effet, le soleil réchauffe la surface de la terre de manière plus importante au niveau de l'équateur. Cet air réchauffé, donc plus léger va s'élever puis se diriger vers des zones plus froides : Les pôles. L'air ainsi refroidit aura tendance à se rediriger vers l'équateur. À ces phénomènes de montées et descentes d'air pôles-équateur, vont se combiner des déplacements d'air latéraux engendrés par la rotation de la terre. L'énergie cinétique contenue dans ces déplacements de masses d'air est appelée « énergie éolienne » [1] .

Figure I.5. L’exploitation d’énergie de vent par les éoliennes II .3 L'Energie hydraulique L’hydro-électricité ou production d’électricité par captage de l’eau est apparue au milieu du XIXe siècle. L'eau fait tourner une turbine qui entraîne un générateur électrique qui injecte les Kilowattheures sur le réseau. L'énergie hydraulique représente 19% de la production totale d'électricité dans le monde. C’est la source d'énergie renouvelable la plus utilisée[1]. Cependant, tout le potentiel hydroélectrique mondial n’est pas encore exploité.

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Les énergies renouvelables

Figure I.6. L’exploitation de l’énergie hydraulique (a) Utilisation des barrages (b) La roue à aubes du moulin  L’Energie marine La filière des énergies marines appelées aussi énergie des océans ou thalasso-énergies, comprend le développement des technologies et la maîtrise et l’exploitation des flux d’énergies naturelles fournies par les mers et les océans. On recense : la houle, l’énergie des vagues, l’énergie des courants, l’énergie des marées et l’énergie thermique des mers (ETM) qui travaille sur le gradient thermique entre les couches d’eau de surface et celle des profondeurs [2].

Figure I.7. L’exploitation de la houle pour la production de l’énergie

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Les énergies renouvelables II.4 L'Energie biomasse Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des bioénergies, le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale (algues incluses), animale ou fongique pouvant devenir source d'énergie par combustion (ex : bois énergie), après méthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformations chimiques (biocarburant) [1]. La biomasse (ensemble de la matière végétale et des déchets domestiques) est une véritable réserve d’énergie.

Figure I.8. L’exploitation de la biomasse pour la production de l’énergie

II.5 La géothermie C’est l’exploitation de la chaleur stockée dans le sous-sol. L’utilisation des ressources géothermales se décompose en deux grandes familles : la production d’électricité et la production de chaleur. En fonction de la ressource, de la technique utilisée et des besoins, les applications sont multiples. Le critère qui sert de guide pour bien cerner la filière est la température [1]. Ainsi, la géothermie est qualifiée de : ▪

haute énergie (plus de 150°C),

▪

moyenne énergie (90 à 150°C)

▪

basse énergie (30 à 90°C)

▪

très basse énergie (moins de 30°C).

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Les énergies renouvelables

Figure I.9. L’exploitation de la Géothermie pour la production des chaleurs

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Les énergies renouvelables III. CONCLUSION Dans ce chapitre nous avons présenté les différentes sources d’énergies propres (renouvelables) qui sont d’autant des ressources naturelles capables de générer de l’énergie grâce aux technologies développées par les hommes. Leur relatif faible impact sur l’environnement en fait des énergies d’avenir face au problème de la gestion des déchets du nucléaire et aux émissions de gaz à effet de serre.

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Les énergies renouvelables

IV. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] http://tperama-energies-renouvelables.e-monsite.com

[2] http://mtaterre.fr/dossiers/comment-ca-marche-les-energies-marines

[3] Anne Labouret , Michel Villoz , « Energie solaire photovoltaïque - 4ème édition », Environnement et sécurité, Dunod ,2009.

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Chapitre II Conversion Photovoltaïques & Principe de fonctionnement

Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement I. INTRODUCTION Le soleil est une source quasiment inépuisable d’énergie qui envoie à la surface de la terre un rayonnement qui représente chaque année environ 15000 fois la consommation énergétique de l’humanité 𝟏 . Cela correspond à une puissance instantanée reçue de 1 kilowatt crête par mètre carré (kWc/m2) répartie sur tout le spectre, de l’ultraviolet à l’infrarouge 𝟐 . Les déserts de notre planète reçoivent en 6 heures plus d’énergie du soleil que ne consomme l’humanité en une année Dans ce chapitre on fait appel à quelques bases indispensables dans le domaine photovoltaïque. Nous aborderons ainsi en premier lieu quelques notions sur la source d’énergie photovoltaïque. Nous décrirons ensuite les semi-conducteurs et les cellules solaires avec leurs caractéristiques photovoltaïques.

I.1 Rayonnement solaire La distance de la terre au soleil est d'environ 150 millions de kilomètres et la vitesse de la lumière est d’un peu plus de 3 × 108m/s, les rayons du soleil mettent donc environ 8 minutes à nous parvenir 𝟑 . Le rayonnement reçu par la terre en incidence normale avoisine les 1400 W/m² avant d’aborder la couche atmosphérique 𝟒 . Pour tenir compte de l'épaisseur d'atmosphère traversée par le rayonnement solaire Incident (Figure II.1), on introduit un coefficient appelé nombre de masse (AM) défini par : 1

AM = COS θ

(II.1)

θEst l’angle que fait le soleil avec son zénith. ▪

Dans l’espèce hors atmosphère on se trouve dans les conditions dites AM0

▪

Au sol dès lors que le soleil est au zénith on se trouve en condition AM1

▪

Pour θ = 30° on se trouve en condition AM2

Le spectre de référence qui permettre de caractériser et de comparer les performances des cellules solaires photovoltaïques sera un spectre AM1.5,pour une puissance incidente de 1000W/cm2 et une température de 25°.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement

Figure. II.1. Radiation spectral pour différent air masses

I.2 Le spectre solaire La lumière solaire est en effet composée de toutes sortes de rayonnements de couleurs différentes, caractérisées par leur gamme de longueur d'onde. Les photons, grains de lumière, qui composent ce rayonnement électromagnétique, sont porteurs d'une énergie, celle-ci est reliée à leur longueur d'onde par la relation :

𝐸 = h =

hc λ

(eV)

(II.2)

Où h est la constante de Planck (J.S), c la vitesse de la lumière (m/s),  la fréquence en (HZ) et ʎ la longueur d’onde (m). L’énergie E peut exprimer en eV en utilisant la formule suivante :

𝐸=

1.24 λ(μm)

(II.3)

Donc la conversion photovoltaïque peut donc être simplement définie comme la transformation de l’énergie des photons en énergie électrique grâce au processus d’absorbation de la lumière par la matière.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement I.3 C’est quoi La lumière ? La lumière c’est une onde électromagnétique composée de photons porteurs d’une énergie. Ces photons peuvent pénétrer dans certaines matières, et même passer à travers les objets transparents pour notre œil. L’étude de la lumière peut être effectuée de déférentes manières selon les cas qui se présentent. Autrement dit, en utilisant l’un des concepts suivants :  Optique géométrique Cette théorie stipule que la lumière se propage en lignes droites →c’est le concept de rayons lumineux.  Optique ondulatoire La lumière considérée comme une onde électromagnétique composé d’un champ électrique et d’un champ magnétique perpendiculaire entre eux et à la direction de propagation. Cette théorie est régit par les équations de Maxwell.  Optique corpusculaire La lumière se compose de photons grains ou bien corpuscules de lumière. Les théories ondulatoires ou corpusculaires de la lumière nous permettent d’aborder les échanges entre la matière et le rayonnement lumineux.

I.4 Absorption de la lumière par les semiconducteurs La définition de l’effet photovoltaïque citée précédemment, sous-entend que si les électrons de la bande de valence du semi-conducteur acquièrent une énergie suffisante en provenance la lumière, ils peuvent se retrouve dans la bande de conduction créant ainsi une paire électron/trou. L’absorption d’un photon d’énergie 𝐡 par les électrons du matériau semiconducteur et la création de la création de la paire électron/trou, vouée à la génération d’un courant électrique est à l’origine de l’effet photoélectrique. Cette absorption énergétique, est régie par la valeur du gap optique du matériau illuminé. On peut ainsi définir trois cas de figure selon l’énergie du photon incident, figure II.2. Le premier cas correspond à un photon portant une énergie inférieure à l’énergie du gap Eg. Dans ce cas l’énergie acquise par un électron se trouvant dans la bande de valence (BV) est insuffisante pour qu’il puisse traverser la barrière énergétique le séparant des états permis de la bande de conduction (BC). Ainsi, tous les photons ayant une énergie inferieure à Eg ne sont pas convertis en paires

électron/trou et pourront pas par conséquent participer à l’établissement du courant photovoltaïque final. Page 28

Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement La seconde possibilité correspond au cas idéal où l’énergie 𝐡 du photon incident est égale à l’énergie du gap. Dans de telles conditions, les électrons acquièrent suffisamment d’énergie pour passé de la BV vers la BC et créer une paire électron/trou. L’énergie u gap définie ainsi la limite énergétique pour le phénomène d’absorption. Enfin, la dernière possibilité correspond au cas où l’énergie du photon est supérieure à l’énergie du gap. Dans ce cas, la conversion des photons en paires électron/trou est possible, mais une partie de l’énergie absorbée est dissipée sous forme de phonon. Cet excès d’énergie représente une perte et ne participera pas non-plus à l’établissement du courant photovoltaïque mais induira un phénomène d’échauffement du matériau appelé thermalisation.

Figure II .2 Les trois cas de figure illustrant l’absorption d’un photon par un semiconducteur L’absorbation et la conversion d’un photon en paires électron/trou ainsi décrites, nécessite un matériau dans lequel la passage de l’électron du haut de la BV vers le bas de la BC se fait de manière directe, autrement dit, la nécessité d’avoir un matériau à gap direct comme cela est illustré sur la figure (II.3.) 𝟓

Figure II .3. Représentation du gap direct et indirect dans un semiconducteur.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement I.4.1 Choix du matériau Le choix du matériau utilisé pour la fabrication des composants optoélectroniques est basé sur certaines propriétés suivant l’utilisation du composant :  Pour un détecteur optique, il faut considérer : ▪

L’absorption de la lumière

▪

La création de porteurs en excès

▪

Le rendement photoélectrique

▪

la sensibilité spectrale  Pour un émetteur de lumière, il faut considérer :

▪

La longueur d’onde de la radiation émise

▪

La recombinaison de porteurs en excès et la durée de vie

▪

Le rendement d’électroluminescence

Pour le silicium, par exemple, d’énergie de gap Eg = 1.12 eV, on peut obtenir un effet photoélectrique dans le visible et le proche IR (infra rouge) jusqu’à 0 = 1.1 µm 𝟔 . Le germanium, d’énergie de gap Eg = 0.67 eV est utilisé pour les plus grandes longueurs d’onde, de 900 nm à 1700 nm, soit pour le proche IR.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement II. LA CONVERSION PHOTOVOLTIAQUE : PRINCIPE D’UNE CELLULE PHOTOVOLTIQUE Le principe d’une cellule photovoltaïque, mettant à profit l’effet photovoltaïque lui-même basé sur le phénomène d’absorbation de la lumière par la matière, est résumé par les étapes suivantes, figure II.4 : ► Fabrication d’une jonction PN à l’aide d’un semiconducteur dopé N et un semiconducteur dopé P. ► Exposition de la jonction à une radiation lumineuse. ► Génération de paire électron-trou par l’absorbation d’un photon d’énergie suffisante. ► Déplacement des porteurs de charges vers la zone N pour les électrons et P pour les trous sous l’effet du champ électrique crée au niveau de la jonction. ► Apparition d’une différence de potentiel et donc d’une tension entre les deux faces de la jonction. ► Connectée à une charge, la jonction délivre un courant électrique 𝟓 .

Figure II.4. Principe d’une cellule photovoltaïque C’est la transformation directe d’une énergie électromagnétique (rayonnement) en énergie électrique de type continu directement utilisable. Quand un photon interagit avec un électron, il lui transfère intégralement son énergie seulement s'il existe un niveau énergétique final de l'électron qui soit autorisé et libre. Pour un semiconducteur, un photon d'énergie adéquate pourra promouvoir un électron de la bande de valence (BV) vers la bande de conduction (BC). Elle met en jeu trois phénomènes physiques, intimement liés et simultanés : L’absorption de la lumière dans le matériau. Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques. La collecte des charges

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement

Figure II .5. Principe de la conversion photo-électrique

II.1. L’absorption de la lumière Un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir trois événements optiques (figure II.6) La réflexion : la lumière est renvoyée par la surface de l’objet. La transmission : la lumière traverse l’objet. L’absorption : la lumière pénètre dans l’objet et n’en ressort pas, l’énergie est restituée sous une autre forme.

Figure II.6.Incidence, réflexion et réfraction de la lumière à l’interface air/semi-conducteur .

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement A l’intérieur du matériau, le flux de lumière subit une perte en fonction de la profondeur x de pénétration, liée à l’effet photoélectrique. II.2 Coefficient d’absorbation Considérons l’interface air-semi-conducteur, de la figure (II.5), qui constitue la face d’entrée du semiconducteur et injectons un flux de lumière monochromatique de fréquence 𝒗. Le flux 𝒊 peut s’exprimer en Watts (valeur énergétique) ou en photons par seconde (valeur photonique ou quantique), la relation entre les deux grandeurs étant : i (Watts) = i (photons/s) × hν

(II.4)

Au niveau de la surface, ce flux va tout d’abord subir une perte due à la discontinuité des indices de réfraction : 

Une partie du flux va être réfléchie :

r ν = R × i ν 

(II.5)

Et, l’autre partie va être transmise. Le flux transmis au niveau de la surface étant :

T ν, x = 0 = T × i ν = 0 ν

(II.6)

Avec : i ν = T ν + T ν, x = 0

(II.7)

Soit, R+T =1 (loi de conservation de l’énergie). R étant le coefficient de réflexion de la lumière et T son coefficient de transmission. Ces deux coefficients dépendent de l’angle d’incidence et pour une incidence normale on a :

𝑅=

𝑟 𝑖

(𝑛−1)2

= (𝑛+1)2

(II.8)

Où n est l’indice de réfraction du matériau semi-conducteur. 𝑇=

𝑡 𝑖

4𝑛

= 1 − 𝑅 = (𝑛+1)2

(II.9)

Admettant un taux relatif de pertes constant, correspondant à une loi normale d’un corps homogène, on aura : α( ν, x) = α( ν) = −

1 αt ν,x t ν,x αx

(II.10)

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement α ν ou α( )est le coefficient d’absorption de la lumière de fréquence (longueur d’onde) par le semiconducteur . En considérant une variation du coefficient d’absorptionα( ) en fonction de la longueur d’onde, on peut écrire : t ν, x = t , 0 e−α

 .x

= 0 e−α

 .x

(II.11)

Ce qui correspond à l’absorption exponentielle de photons (Loi de Beer-Lambert) illustrée sur la figure II.7.

Figure II.7.Absorption exponentielle de la lumière par le semi-conducteur

Ce coefficient est une caractéristique principale du matériau o

 devient nul dès que  > 0 → le matériau est supposé transparent

o

 est très grand pour très faible  0 au voisinage du gap,  suit une loi telle que

 = 𝐴 𝐸 − 𝐸𝑔

𝑛

= 𝐴 ℎ𝑣 − 𝐸𝑔

𝑛

(II.12)

A et n dépendent de la nature du matériau semi-conducteur, n est tel que 0.5< n < 3 𝟔 . Les courbes de la figure (II.8) donnent l’évolution du coefficient d’absorption matériaux semi-conducteurs utilisés dans la fabrication de photo détecteurs.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement

Figure II.8. Evolution de () pour différents matériaux semi-conducteurs. Dans le tableau ci-dessous sont données les valeurs de , relevées des graphes de la figure II.8 pour des radiations monochromatiques   600 nm et des radiations infrarouges   1000 nm pour quelques matériaux 𝟔.

Tableau II.1 Absorption optique de quelques matériaux photovoltaïques On remarque que le coefficient d’absorption  augmente rapidement dès que l’on s’éloigne de l’énergie de gapEg .

III.2Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques III.2.1 Génération optique Les photons absorbés vont tout simplement transférer leurs énergies aux électrons périphériques(les plus éloignés du noyau), leurs permettant ainsi de se libérer de l’attraction de leurs noyau. Ces électrons libères sont susceptibles de produire un courant électrique si on les (attires) ensuite vers l’extérieur. En régime permanent, l’électron libre laisse un trou qui se traduit par une charge positive, si cet électron est attiré au dehors, c’est l’électron d’un atome voisin qui va venir combler ce trou, laissant à nouveau un trou, Page 35

Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement lui-même comblé par un électron voisin et ainsi de suite. On génère ainsi une circulation de charges élémentaires, d’électrons dans un sens, et de trous dans l’autre sens, ce qui donne un courant électrique. le flux incident de photons de longueur d’onde ʎ. 𝜑𝑖(ʎ) devient à la profondeur x le flux 𝜑(ʎ, 𝑥 ) selon (Loi de Beer-Lambert)  , x = i  (1 − R()e−α()×x =  , 0 e−α()×x

(II.13)

On exprimer le taux d’absorption volumique des photons (ʎ, 𝑥 ) (photons/cm /s) par : A , x =

α ,x αx

= α   , x

(II.14)

Pour qu’il y ait génération optique des paires électrons-trous, il faut que les photons soient d’énergie supérieure ou égale. De plus comme les principales radiations exploitables du spectre solaire sont situées dans le visible et le proche infrarouge entre 0.4 μm et 1.6 μm, on comprend facilement que les seules transitions possibles auront des énergies comprise entre 0.7eV et 3eV, ce qui conduit à privilégier les matériaux semi-conducteurs dont le gap se situe dans cette gamme d’énergie𝐸𝑔 . Le rapport entre le nombre de paires électrons-trous générées et le nombre de photons absorbés. C’est le rendement quantique ŋ(ʎ, 𝑥 ), soit G (ʎ, 𝑥 ) le taux de Génération volumique de paires (𝑒 − 𝑒 + ) pour une onde monochromatique, On a : ŋ , 𝐱 =

𝐺 ,𝐱 𝐴 ,𝐱

La génération optique des paires (𝑒 − − 𝑒 + ) le

(II.15) phénomène le plus important sur lequel repose le

fonctionnement des photopiles, le taux de génération volumique G(ʎ, 𝑥 ) étant proportionnel à(ʎ) ce dernier sera très important en conversion photovoltaïque 𝟕 .

III.2.2 Recombinaison Les porteurs photo générés dans la zone de charge d’espace, sont rapidement séparés par le fort champ électrique interne. La probabilité de collecte de ces porteurs est donc maximale. Dans une des zones quasi-neutres, les porteurs minoritaires(les électrons dans le type p et les trous dans le type n) doivent diffuser jusqu’a la jonction afin d’être collectés. La distance caractéristique sur laquelle les porteurs minoritaires peuvent diffuser avant de recombiner est la longueur de diffusion, notée Ln dans le cas des électrons et Lp dans le cas des trous. Pour les cellules solaires en silicium cristallin, Ln vaut quelque centaines de micromètres.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement Remarque : On considère que les porteurs génèrent à une distance plus grande que Ln de la jonction ne seront pas Collectées et seront perdus. Les paramètres qui influencent Ln et Lp ont les différents mécanismes de recombinaisons. Ces derniers se présentent sous deux formes différentes : Radiative Non radiative

 Recombinaisons radiatives Elles sont fréquentes dans un semi-conducteur a gap directe et ainsi peuvent être négligées dans le silicium. Elles concernent la recombinaison directe d’un électron de la bande de conduction avec un trou de la bande de valence, produisant l’émission d’un photon d’énergie égale à la largeur de bande interdite. Figure III.7.a

 Recombinaisons non radiatives Il existe deux types de transmission non radiative ▪

Recombinaisons non radiatives type Auger

Ce type de recombinaison implique trois porteurs : ▪

un électron de la bande de conduction

▪

un trou de la bande de valence

▪

un troisième électron appelé électrons Auger

Le mécanisme de ce type de recombinaison est expliqué sur la figure II.7-b 𝟕 . ▪

Recombinaisonnon raditatives type Shockley-Read-Hall

C’est le mécanisme est dominant dans le silicium et la plupart des semi-conducteurs. La recombinaison se fait en deux étapes, par l’intermédiaire d’un centre recombinant qui est un défaut ou une impureté qui introduit un niveau profond Ep dans la bande interdite (figure II.7-c) Les quatre étapes possibles dans ce processus sont 𝟔 : ჻

La capture d’un électron par un niveau piège (passage de l’électron de Ecvers Ep)

჻

L’émission d’un électron à partir d’un niveau piège (passage de l’électron de Ep vers Ec)

჻

L’émission d’un trou à partir d’un niveau piège (passage de l’électron de Ev vers Ep)

჻

La capture d’un trou par un niveau piège (passage de l’électron de Epvers Ev) Page 37

Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement

(b)

(a)

(c )

Figure II.9.Les types de recombinaisons radiatives et non radiatives a- Recombinaison radiative bande à bande b- Recombinaison non radiative type Auger c- Recombinaison non radiative de type Hall ShockleyRead.

III.3 La collecte des charges Les électrons de la région p diffusent vers la région n, tandis que les trous vont diffuser vers la région p, sous l’action du champ électrique interne, il en résulte le mécanisme de la collection. Ce dernier n’est d’autre qu’une séparation de charge, ce qui mène à une différence de potentielle entre les deux régions de la jonction, dont un courant électrique sera délivré, à travers un circuit électrique extérieur, on parle ici de l’acheminement de porteurs de charges.

Figure II.10.Jonction PN à l’équilibre

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement IV. CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE ET LES PARAMETRES D’UNE CELLULE

PHOTOVOLTIQUE IV.1 Caractéristique courant-tension La caractéristique courant-tension I(V) d’une cellule solaire est la superposition de celle de la diode sous obscurité et du courant photogénère (figure II.11). Le courant délivré sur une charge par une cellule solaire éclairée s’écrit : 𝐼 𝑉 = 𝐼𝑜𝑏𝑠𝑐 − 𝐼𝑝ℎ

(II .16)

Où 𝐼𝑝ℎ : La densité de courante photo générée. 𝐼𝑜𝑏𝑠𝑐 : La densité de courant d’obscurité. Pour une cellule photovoltaïque idéale, l’équation (II .16) peut être écrite sous la forme suivante : 𝑞𝑣

𝐼 𝑉 = 𝐼𝑠 (𝑒𝑥𝑝(𝑘𝑇 )-1 ) − 𝐼𝑝ℎ

(II .17)

Avec : q : Charge élémentaire (C) V : Tension aux bornes de la jonction (V) K : Constante de Boltzmann (J.K-1) T : Température (K) 𝐼𝑠 : Courant de saturation de la diode (A)

Figure II .11. La caractéristique courant-tension d’une cellule sous l’éclairement et à l’obscurité

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement Pour la jonction PN à l’obscurité la caractéristique I(V) passe par l’origine. Le produit 𝑉 × 𝐼 > 0 donc elle absorbe tout le temps de l’énergie. Pour la cellule solaire sous éclairement, la caractéristique I(V) ne passe pas par l’origine. Dans la région hachurée le produit 𝑉 × 𝐼 < 0 donc la cellule fournit de l’énergie.

IV.2 les paramètres d’une cellule photovoltaïque Les caractéristique I(V) de la cellule solaire permet de déduire les paramètres photovoltaïques propres à la cellule ; à savoir :

IV.2.1 le courant de court-circuit Icc Le courant de court-circuit est celui qui circule dans une cellule soumise à un flux de photons sans l’application de tension (V=0).il est proportionnel à l’éclairement.

IV.2.2 Tension du circuit ouvert Vco La tension de circuit ouvert est la différence de potentiel mesurée aux bornes de la cellule lorsque la sortie est en circuit ouvert. C’est à dire Vco = V(I = 0). Cette tension est également à l’ordre de 0.5 à 0.7V.

IV.2.3 La puissance maximale Pm Suivant la formule𝑃 = 𝑉 × 𝐼, pour que P soit maximal, il faut être dans les conditions où le produit V I est maximal voir la région hachurée de la figure (II.18).

IV.2.4 Facteur de forme FF Est un critère de qualité de la cellule solaire. Il est représenté par la forme rectangulaire dans les caractéristiques (I-V) de la figure (II.11).dans une cellule parfaite, la courbe sera un parfait rectangle et le facteur de forme sera égale 1.Sa valeur est déterminer à partir du rapport du maximum de puissance produite par la cellule solaire et le produit du courant de court-circuit et la tension en circuit ouvert [8]:

𝐹𝐹 =

𝑃𝑚 𝐼𝐶𝐶 ×𝑉𝑐𝑜

=

𝐼𝑚 ×𝑉𝑚 𝐼𝐶𝐶 ×𝑉𝑐𝑜

(II .18)

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement IV.2.5 Le rendement quantique QE Le rendement quantique donne la probabilité qu’un photon incident d’énergie E fournira un électron à un circuit externe. Il est considéré comme un paramètre quantitatif et qualificatif dans la description de la cellule solaire. Il permet de mesurer le nombre des électrons en sortie de la cellule solaire par rapport au nombre de photons incidents. Il permet aussi la quantification des pertes dans la cellule solaire (réflexion à la surface, pertes des photons de faible et forte énergie) figure (II.12). Ce qui nous aide à interpréter nos résultats et introduire des améliorations sur la cellule [8].

𝑄𝐸 =

∆𝐼/𝑞 ɸ

=≠

𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒𝑠 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 −𝑡𝑟𝑜𝑢 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡 é𝑒𝑠 ≠𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛𝑠 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡

(II .19)

Le rendement quantique dépend de plusieurs propriétés du matériau : ▪

Coefficient d’absorption

▪

Profondeur de la jonction

▪

L’épaisseur de la zone de charge déplétion

▪

La durée de vie des porteurs et leurs mobilités

▪

La recombinaison de surface

Figure II.12. Rendement quantique externe de la cellule solaire et les d’efférents types de pertes. On note ici que la réponse spectrale est conceptuellement similaire au rendement quantique, elle s’exprime par rapport entre le courant produit par la cellule et la densité des photons incidents sur sa surface. Elle est

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement strictement dépendante de la profondeur de la jonction et de l’état de la surface de la cellule (mince ou texturisée). 𝑆𝑅 𝜆 =

𝑞𝜆 ℎ𝑐

QE (λ) =0.808. 𝜆. 𝑄𝐸(𝜆)

(II .20)

La réponse spectrale interne est définie comme le nombre de paires électron-trou, collectées en court-circuit, par rapport au nombre de photon pénétrant dans le matériau. Cependant, a réponse spectrale externe n’est autre que la réponse, mais elle tient compte de la réflexion au niveau de la surface avant, c.à.d. du rapport entre le nombre de paires électron-trou collectées par la jonction, et du nombre de photons incidents par unité de temps et de surface : SR(λ)ext =(1-R-T) . 𝑆𝑅 𝜆

int

(II .21)

IV.2.6 Rendement de conversion ƞ Le rendement de conversion est le paramètre le plus important dans la cellule solaire. Il exprime la capacité de la cellule à convertir efficacement les photons de la lumière incidente en courant électrique. Il est calculé par le rapport entre la puissance de sortie Pout et la puissance d’entrée de la cellule Pin (puissance d’éclairement solaire incident). Dans les applications terrestres on utilise le spectre solaire AM1.5.

ƞ=

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑝 𝑖𝑛

=

𝑉𝑐𝑜 𝐼𝑐𝑐 𝐹𝐹 𝑃 𝑖𝑛

(II .22)

V. SCHEMA ELECTRIQUE EQUIVALENT D’UNE CELLULE SOLAIRE

D'une manière générale pour rendre compte du fonctionnement des diodes sous éclairement, nous devons prendre en considération les différents phénomènes physiques qui limitent leurs performances (par exemple des chutes de tension dans les zones mortes P et N). Il s'introduit ainsi une résistance série Rs de la diode, analogue à la résistance interne des générateurs de tension[7]. Le schéma équivalent de la cellule photovoltaïque est alors préseté ci-dessous :

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement

Figure II.13. Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle

V.1 La résistance Shunt Rsh Est associée à la recombinaison des charges (électrons et trous) près des sites de dissociation des excitons.

V.2 Résistance série Rs Tient compte de la mobilité des porteurs de charges dans le matériau, qui est régie par les impuretés et les barrières telles que la charge d’espace. Elle dépend donc de l’épaisseur du matériau.

V.3 La diode D Représente la conductivité asymétrique dans la cellule solaire

V.4 La résistance Rc Représente la résistance de charge quand la cellule est connectée à un circuit externe .

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement

VI. CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons d’abord procédé à une description générale des cellules photovoltaïques. Les éléments de base nécessaires à la compréhension du fonctionnement d’une cellule, son principe de fonctionnement.

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Conversion photovoltaïque et principe de fonctionnement IIV.REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] Soltanebelakhehal « Conception & Commande des machines à Animant permanents dédiées aux Energie renouvelable ».Thèse de doctorat, Universitaire de Constantine,2010. [2]Cabal.Cédric « Optimisation énergétique de l’étage d’adaptation électronique dédié à la conversion photovoltaïque ».thèse de doctorat, Université Toulouse,2008. [3] Thibaut Desrues « Développement de cellule photovoltaïques à hétérojonctions silicium et contacts en faces arrière » .thèse de doctorat, l’institut national des sciences appliquées de lyon, 2009. [4]

Rémi

Bettignres « Cellules

photovoltaïques

organiques

dérivées

de

nouveaux

systèmes

conjugués ».Thèse de doctorat, école Doctorale d’Angres, 2003. [5] Boukhalfa Malika , thèse doctorat, [6] Rebiai-Benahmed , « Cour Composants optoélectronique » ,Saida [7] Oussidhoum Samira, « Etude comparative des perfermances des cellules solaires à jonctions simple et multiple », Magister, Mouloud Mammeri de Tizi Ouzou,2015. [8] Abderrezek mahfoud , « Modélisation e cellules solaires tandem à couche minces et à haut rendement »,Thèse doctorat,Université setif,2015.

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Chapitre III Cellule Photovoltaïque : Principe Technologique

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

I. INTRODUCTION Les photopiles ou cellules solaires sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à base de matériaux semiconducteurs. Aujourd’hui, plus de 99 % des équipements photovoltaïques utilisent le silicium comme matériau de base. Ce dernier se présente sous différentes formes, les plus répandues étant le silicium cristallin (monocristallin, multi cristallin), et le silicium amorphe. Dans ce chapitre nous allons présenter le silicium cristallin comme matériau de base dans la technologie photovoltaïque et la fabrication des cellules solaires.

I.1 Les propriétés du matériau En cristallographie, la structure d'un cristal est complètement décrite par les paramètres de réseau : ▪

sa maille élémentaire.

▪

son groupe d'espace.

▪

la position des atomes.

Comme beaucoup d'autres éléments le silicium peut exister sous différentes structures, dont les deux extrêmes sont respectivement l'état cristallin et l'état amorphe [1] .

I.2 Propriétés Photovoltaïque de silicium Le silicium fait partie de la colonne IV de la classification périodique de Mendeleïev, il dispose de 4 électrons de valence. Malgré que le silicium n’est pas le matériel idéal pour la conversion PV, mais il est le plus utilisé à ce jour pour la réalisation des cellules solaires. Ce semiconducteur présente en effet différents avantages : ▪

Il est abondant à la surface du globe terrestre.

▪

Il n’est pas toxique comme certains semiconducteurs.

▪

Il possède un oxyde naturel (SiО2) présentant d’excellentes propriétés électroniques.

▪

Il se dope facilement (avec le phosphore ou le bore).

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Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

Figure III.1. Utilisation des matériaux photovoltaïques en 2003 . .  Quelques propriétés du silicium

Tableau III.1.Quelques propriétés du silicium

II. LE SILICIUM MONOCRISTALIN ET AMORPHE II.1 Le silicium monocristallin Dans un cristal idéal de silicium, les atomes sont arrangés selon la structure diamant avec une distance interatomique d = 2.37 Å (figure III.2). La liaison entre les atomes les plus proches est de caractère de type 3sp3. A ce type de liaison correspond des états électroniques qui sont couplés entre eux dont le potentiel périodique dans le cristal, conduisant à des bandes d’énergie permises et interdites pour les électrons.

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Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

Figure III.2. Arrangement tétraédrique de liaison dans le Si monocristallin.

La bande interdite (gap), séparant la bande de valence pleine à 0°K et de la bande vide de conduction à 0°K, est égale à Εg =1.12 eV. L’importance du gap, Εg détermine l’échange des porteurs de charge entre les différentes bandes d’énergie et ainsi les propriétés électroniques du semi-conducteur.

Figure III.3. Distribution de densité d'états dans la structure cristalline

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Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

II.2 Le silicium amorphe Le silicium amorphe a-Si présente de faible variation de longueur et d'angle de liaison qui a pour conséquence d'éliminer l'ordre après quelques distances atomiques (Figure III. 4). A cause de ce désordre, des distorsions apparaissent dans le réseau, induisant une distribution des états électroniques, ce qui se traduit par l'apparition d'états localisés dans la bande interdite en haut de la bande de valence et en bas de la bande de conduction. Ils forment ce qu'on appelle les queues de bande.

Figure III.4.Structure cubique de silicium amorphe

La bande interdite (gap), séparant la bande de valence pleine à 0°K et de la bande vide de conduction à 0°K, est égale à Εg =1.72 eV.

Figure III.5.Distribution de densité d'états dans la structure amorphe

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Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

 Les avantages de silicium amorphe Le silicium amorphe est distingué du silicium cristallin par des avantages telles que : ▪

Possibilité de le déposer sur des grandes surfaces.

▪

Possibilité de le déposer sur des surfaces non planes ou souples : intéressant pour la déposition sur cylindres ou sphères (axes de symétrie) .

▪

Facilité de fabrication.

▪

Forte absorption de la lumière visible.

▪

Peu de dégradation par les rayons X.

▪

Bande interdite plus élevée (1,75 eV; 1,12 eV pour le silicium cristallin), qui permet d'obtenir des courants inverses dans l'obscurité plus faible.

 Les inconvénients de silicium amorphe Le silicium amorphe a aussi quelques inconvénients : ▪

Beaucoup de défauts, dans la structure.

▪

Faible mobilité des porteurs libres.

L’application la plus connue du silicium amorphe (a-Si) est la cellule photovoltaïque. Ce type de cellule solaire est assez répandu dans les calculatrices, les montres ou les chargeurs de batteries.

III. LA FABRICATION D’UNE CELLULE SOLAIRE III.1 Purification du silicium Le silicium existe essentiellement sous forme oxydée (silice, sable) et nécessite d’une part d’être réduit et d’autre part, d’être purifié afin d’obtenir un matériau de qualité électronique. Cette opération nécessite deux étapes :

 Etape 1 : Réduction de la silice

On réalise une électrolyse dans un four à arc pour atteindre une température assez élevée pour faire fondre la silice. La silice est mélangée à du carbone. Réaction principale : 𝑆𝑖 𝑂2 + 2𝐶 → 𝑆𝑖 + 2𝐶𝑂

(III.1)

Le silicium obtenu a une pureté de 98%, il faut encore le purifier pour obtenir un matériau de qualité électronique

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Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

 Etape 2 : Purification du silicium On va effectuer une purification chimique, une des méthodes consiste à faire une distillation à partir de Si HCl3 (trichlorosilane) liquide à température ambiante : 𝑆𝑖 + 3𝐻𝐶𝑙3 → 𝑆𝑖 𝐻𝐶𝑙3 + 𝐻2

(III.2)

Le rendement de la réaction est égal à 90%, on a effectué une première purification car des précipités chlorés ne se mélangent pas au trichlorosilane. Puis SiHCl3 (qui a une température d’ébullition faible: 31.8°C) est purifié par distillation fractionnée, il est plus volatil que les chlorures des principales impuretés. Ce trichlorosilane purifié est ensuite réduit pour redonner du silicium : 𝑆𝑖 𝐻𝐶𝑙3 + 𝐻2 → 𝑆𝑖 + 3𝐻𝐶𝑙

(III.3)

Après la distillation, la teneur en impuretés actives est inférieure à 1ppm, le silicium est alors de Qualité électronique. En effet, le silicium précédemment obtenu était polycristallin, il y a nécessité de le transformer en monocristallin pour améliorer sa conductivité. Cette opération est réalisée dans un four à tirage selon la procédure de Czochralski [2] .

III.2 Les techniques de tirages de silicium  Procédure de Czochralski (CZ)

La méthode Czochralski est l'une des seules permettant d'obtenir de gros monocristaux de qualité optique suffisante. ▪

Le matériau à élaborer est d'abord porté à la fusion dans un creuset.

▪

Un germe monocristallin est approché du centre de la surface du bain,

▪

Le liquide remonte par capillarité le long du germe, créant une interface triple liquide-solide-gaz.

▪

Le germe est ensuite lentement tiré vers le haut, à des vitesses de l'ordre du millimètre par heure, pour former un monocristal.

L'ensemble de la croissance est effectuée en maintenant le cristal en rotation, de manière à homogénéiser le bain et à contrôler la forme de l'interface solide/liquide [2] . . Page 52

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

Figure III.6. Principe de la Technique de tirage de c-Si (méthode de Czochralski)

Figure III.7. Lingots de c-Si obtenus par tirage Czochralski

Cependant, les simples cristaux de silicium développés par la méthode de Czochralski peuvent contenir des impuretés. Pour certains dispositifs électroniques, le silicium développé par cette technique n'est pas assez pur.

Page 53

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

III.3 Fabrication des plaquettes de silicium Après refroidissement, le lingot de silicium va entrer dans un processus permettant de fabriquer des plaques circulaires (wafers) à partir desquelles seront produits les composants présents dans tous les appareils électroniques. Cette opération est connue sous le nom "opération d’usinage de lingot".

Figure III.8. Plaquettes de silicium après l’opération d’usinage IV Structure d’une cellule photovoltaïque Bien que différentes structures soient envisageables pour l’élaboration des cellules photovoltaïques, des parties similaires sont présentes dans chaque composant. On présente, dans la figure (III .9), la structure d’une cellule photovoltaïque la plus couramment utilisée avec des contacts sur les eux faces [3]. .

Figure III.9. Constitution de base d’une cellule solaire en silicium Page 54

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

III.4.1 Passivation des faces avant et arrière de la cellule La surface des semiconducteurs contient une densité importante de défauts, entraînant des pertes non négligeable, liées à la recombinaison en surface. La passivation consiste à améliorer la qualité électronique de la surface en neutralisant les effets de ses défauts électriquement actifs. Diverses couche de passivation sont utilisées en photovoltaïque, dont les plus importantes sont l’oxyde thermique de silicium(SiO2) et le nitride de silicium(SiN3). Une cellule solaire de haute qualité nécessite une meilleure passivation de la surface semiconducteur avec une forte qualité des matériaux d’électroniques.

III.4.2 La couche antireflet La surface de la cellule solaire est le siège d’une forte quantité de pertes par réflexion : 34% des pertes sont localisées dans la surface d’une cellule en Si dans es grandes longueurs d’onde (1.1µm) et plus de 54% aux courtes longueurs d’onde (0.4µm).L’une des méthodes utilisées dans la conception des cellules solaires pour minimiser ce type de perte est l’utilisation de couche antireflet (CAR, Anti-Refletective Coating) ou bien la texturisation de la surface.

Couche Antireflet

dCAR= λ/4

Semiconducteur

Figure III.10.Représentation du semiconducteur et sa couche antireflet

Les matériaux utilisés comme couche antireflet doivent avoir les propriétés optiques suivantes : ჻

Une bonne adhérence de contact.

჻

Etre transparents dans la gamme de sensibilité des cellules solaires 𝑂. 2µ𝑚 − 1.2µ𝑚 ;

჻

Réduire au maximum la réflexion.

Page 55

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

III.4.3 Texturisation de la surface On peut faire la texturisation de la surface, soit en combinaison un revêtement de la couche antireflet soit avec elle-même (figure III .11). Elle est utilisée pour réduire au minimum la réflexion de la surface de la cellule. Un substrat monocristallin peut être texturé par attaque chimique le long des faces des plans cristallins.

Figure III.11 Comparaison de deux géométries : (a) surface lisse (b) surface texturisées

III.4.4 Contacts des faces avant et arrière Les contacts métalliques, au niveau de a face avant et arrière, jouent un rôle très important dans l’amélioration de performances de la cellule solaire. Ils servent à collecter le courant des porteurs photo générés. La résistance de contact est un paramètre très important dans la conception de la cellule solaire. Le tableau (III.2) montre les principaux matériaux utilisés pour les contacts de face avant et arrière. Avec : ∅ est le travail de sortie du métal.

Métal

Li

∅(𝑒𝑉) 2.3Ev

Na 2.3 eV

K

Rb

Al

Cu

Ag

2.2eV

2.2eV

4.3eV

4.4eV

4.3eV

Tableau III.2les principaux matériaux utilisés pour les contacts de face avant et arrière.

Page 56

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

III.4.5 La couche fenêtre Pour minimiser la recombinaison sur la face avant de la cellule solaire, Une fine couche à base de semiconducteur, fortement dopé, est réalisé au niveau de sa surface. Le matériau utilisé doit répondre aux exigences suivantes : ▪

Il doit disposer d’un paramètre de maile proche du paramètre de maille de l’émetteur.

▪

Son gap doit être supérieur au gap de l’émetteur.

▪

Il doit avoir une large bande de valence, décalée par rapport à l’émetteur, pour créer une forte barrière de potentiel pour les trous minoritaires.

▪

Sa concentration doit être≥ 1018 cm-3

▪

Le matériau doit être de qualité élevée pour minimiser la recombinaison à l’interface.

Certains matériaux utilisés dans les couches fenêtres posent le problème de contamination avec l’oxygène, comme dans le matériau AlGaAs, ce qui crée des pièges au niveau du matériau. La solution consiste à bien contrôler l’environnement de croissance et d’utiliser certains dopants moins sensibles à l’oxygène comme le silicium.

III.4.6 L’émetteur et la base La majorité des photons sont absorbés au niveau de l’émetteur et de la base. L’émetteur est la première couche après la couche fenêtre qui reçoit la lumière. Elle est mince et fortement dopée par rapport à la base (1018 cm-3). Le dopage de la base joue un rôle primordial dans l’amélioration des performances de la cellule solaire. Un faible dopage de la base donne une longue durée de vie et un fort coefficient de diffusion pour les porteurs minoritaires, ce qui améliore leur longueur de diffusion : D’autre part, il augmente le courant d’obscurité qui provoque la dégradation des performances de la cellule. Il faut donc bien optimiser e dopage de la base. On note ici que la longueur diffusion et la durée de vie du porteur minoritaire sont les paramètres clé pour le choix des matériaux [3]. .

Page 57

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

V Conclusion Ce chapitre a été consacré à la présentation des étapes technologiques menant à la fabrication d’une cellule solaire. Ensuite nous avons décrit succinctement les principaux constituants d’une cellule solaire de base.

Page 58

Cellules photovoltaïques : Principe technologiques

VI. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] Ben machiche Samira : «ETUDE DES PARAMÉTRES LIMITANT LE RENDEMENT D’UNE PHOTOPILE A BASE D’UNE STRUCTURE MIS», Thèse de Magister, 2009, Université Hadj Lakhdar de Batna.

[2] BenahmedBenabdallah Nadia : «PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES SEMI-CONDUCTEURS (Si monocristallin et Ge) ET SIMULATION DES CELLULES SOLAIRES A BASE DE Si et SiGe», Thèse de Magister, 2006, Université Abou BekrBelkïd de Tlemcen

[3] Abderrezekmahfoud , « Modélisation e cellules solaires tandem à couche minces et à haut rendement »,Thèse doctorat, Université setif,2015.

Page 59

Chapitre IV Simulation & Interprétation

PC1D

Simulation, Résultats et interprétation I. INTRODUCTION À cause des coûts élevés de l’expérimentation (méthodes d’élaboration et techniques de fabrication), la recherche s’est orientée vers la simulation. Il existe Principalement quatre types de simulateurs, nous citons à titre d’exemple, les simulateurs fonctionnels ou logiques, les simulateurs électriques ou analogiques, les simulateurs technologiques et ceux de Composants ou de dispositifs, La simulation des cellules solaires à l’aide de ces différents simulateurs consiste à comprendre le Comportement de ces dispositifs en fonction des paramètres tels que le dopage et les épaisseurs des régions sur les caractéristiques de la cellule solaire (Icc, Vco, η, FF). Dans notre cas, nous avons utilisé le simulateur de dispositifs, le PC1D. II. LE LOGICIEL PC1D

II.1 Aperçu du logiciel La fenêtre du logiciel PC1D est présentée sur la Figure IV.1. Pour visualiser les résultats de la simulation, il faut d'abord introduire les paramètres du dispositif, des régions et de l’excitation, et ensuite exécuter le programme de la simulation, ce qui permet de visualiser les résultats sous forme de données ou de graphes 𝟏 . Nous distinguons essentiellement 5 parties : 1- La partie "device": cette partie contient les informations générales sur le composant que nous voulons simuler. 2- La parties «Région» : permet d’introduire les paramètres essentiels liés au composant (type de matériaux utilisés, épaisseur, type de dopage ... etc). 3- La partie "excitation": cette partie contient les paramètres d'excitation qui vont servir à simuler le comportement du composant. 4- La partie "résultats": cette partie sert après le lancement de la simulation de visualiser les principaux paramètres, à savoir, Icc, Voc et Pmax dans notre cas. 5- La partie "schéma du dispositif": elle contient le plan du dispositif.

Page 61

Simulation, Résultats et interprétation

Figure IV.1. Fenêtre du logiciel PC1D

II.2 Visualisation des résultats Les résultats peuvent être visualisés en utilisant les deux fichiers d’excitation suivants : a. Le fichier « One-Sun.exc » permet de visualiser:    

La caractéristique I(V). La valeur du courant de court-circuit (Icc). La valeur de la tension en circuit ouvert (Vco). La valeur de la puissance maximale.

b. Le fichier « Scan-qe.exc » permet de visualiser :  La valeur de la puissance maximale.  Le rendement.

Page 62

Simulation, Résultats et interprétation III. SIMULATION ET INTERPRETATION

III.1 La caractéristique I=f(V) Il s’agit d’une structure a-Si(N) /c-Si(P) comme cela est montré sur la figure(IV.2)

Figure IV.2. Le model de simulation Les paramètres fixes utilisés pour simuler ce modèle sont représentés sur le tableau VI.1

Paramètres

a-Si (n)

c-Si(p)

Constante diélectrique

11,9

11,9

Affinité électronique (eV)

3.9

4.05

Band gap (eV)

1,72

1,12

Mobilité des électrons (cm2V-1s-1)

5

1041

Mobilité des trous (cm2V-1s-1)

1

412

Concentration de dopage (cm-3)

1x1019

1.5x1016

Taux de Recombinaison (μs)

1000

1000

Tableau IV.1: Paramètres fixes des régions a-Si(N) et c-Si(P) 𝟐

La figure (IV.3) montre la caractéristique I-V d’une cellule à l’obscurité et sous éclairement (puissance incidente de 1W/cm2) Page 63

Simulation, Résultats et interprétation Sur cette figure (quatrième quadrant) on remarque que la caractéristique I-V sous éclairement est décalé vers le bas par rapport à celle d’obscurité.

2

Iobs Iph

1

courant (A)

0

-1

-2

-3

-4 -0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

tension (V)

Figure IV.3. Les caractéristiques I=f(V) de la cellule solaire a-si(n)/c-si(p) sans et sous éclairement III.1.1 Caractéristique I-V sous obscurité Dans l’obscurité la cellule se comporte comme un composant actif (pas de production de courant). Le courant Iobs traversant la cellule est donnée par : 𝑞𝑉

𝐼 = 𝐼0 (exp(𝐴 𝐾

𝐵

𝑇

− 1))

(IV.1)

Où KB est le constante de Boltzmann (1.38*10-23J/K), T la température absolue en degrés Kelvin, q la charge élémentaire (1.602*10-19C), A le facteur d’idéalité de la diode et I0 le courant de saturation (courant des minoritaires), sa valeur est définie par l’équation(IV.2) 𝐼0 =𝑞

𝐷𝑝 𝑛𝑖 2 𝐿𝑝 𝑁𝐷

+

𝐷𝑛 𝑛𝑖 2 𝐿𝑛 𝑁𝐴

(IV.2)

Où Dn et Dp sont respectivement les coefficients de diffusion des porteurs minoritaires dans le matériau N et P, ni la concentration intrinsèque, Ln et Lp la longueur de diffusion du porteur minoritaire dans le matériau N et P et ND et NA la concentration des deux régions N et P respectivement.

Page 64

Simulation, Résultats et interprétation III.1.2. Caractéristique I-V sous ensoleillement Lorsque la cellule solaire sous ensoleillement est traversée par un spectre solaire riche en photons de différentes énergies, un photocourant est créé à ses bornes. Sa valeur est relative au flux lumineux. La caractéristique (I-V) de la cellule dans le cas idéal est représentée par l’équation (IV.3). Ce modèle s’appelle modèle à simple exponentielle (on n’utilise qu’une seule diode dans la représentation). Le premier terme à gauche représente le courant de la cellule sous obscurité (Idark :dark current) et le deuxième Iph représente le courant généré par la lumière. 𝐼 = 𝐼01 exp

𝑞𝑉 𝐴𝐾𝐵 𝑇

− 1 − 𝐼𝑝ℎ

(IV.3)

Le terme 𝐼01 représente la recombinaison dans les deux régions quasiment neutres Net P. Si on tient compte de la recombinaison dans la zone de charge d’espace, la représentation du schéma équivalent de la cellule contiendra deux diode, ce modèle s’appelle modèle à double exponentielle.. Le courant sous obscurité est donné par la formule suivante : 𝐼𝑜𝑏𝑠 = 𝐼01 exp

𝑞𝑉 𝐾𝐵 𝑇

− 1 + 𝐼02 exp

𝑞𝑉 2𝐾𝐵 𝑇

−1

(IV.4)

Où : 𝐼02 =

𝑞𝑛 𝑖 𝜏 𝑛 +𝜏 𝑝

𝑊

( IV.5)

W étant la largeur de la zone charge d’espace 𝜏𝑛 𝑒𝑡 𝜏𝑝 les durées de vie des électrons et des trous [3] .

IV. EFFET DES PARAMETRES TECHNOLOGIQUES SUR LA CARACTERISTIQUE I=F(V) DE LA STRUCTURE A-SI/C-SI Il s’agit dans cette partie de vérifier l’effet des paramètres technologiques sur la caractéristiques I-V du modèle que nous avons simulé, à savoir : ▪

Les épaisseurs de la zone frontale (émetteur) et la zone P.

▪

Le dopage des régions N et P.

▪

La surface du composant.

▪

la vitesse de recombinaison en surface et le taux de recombinaison.

▪

La puissance incidente.

▪

La réflexion en surface

Page 65

Simulation, Résultats et interprétation IV.1 L’Epaisseur de la zone frontale L’effet d’épaisseur de la zone frontale sur la caractéristique I-V est représenté sur la figure IV.4 (a et b) Pour voir l’effet de l’épaisseur du la zone frontale on a opté pour une simulation en deux étape : 1- 0.01µ𝑚 ≤ 𝑒 ≤ 1 𝜇𝑚 2- 2 µ𝑚 ≤ 𝑒 ≤ 12 𝜇𝑚 1

2

(a) e = 0.01 m e = 0.05 m e = 0.1 m e = 0.5 m e = 1 m

Courant (A)

-1

0

Courant (A)

0

-2

-2

(b)

e = 2 µm e = 4 µm e = 6 µm e = 8 µm e = 12 µm

-4

-3

-6 -4

-8 -5 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

-0,2 -0,1 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Tension (V)

Tension(V)

Figure IV.4. Effet de la variation de l’épaisseur de la zone frontale (zone N) sur la caractéristique I=f(V) pour : (a) 0.01µ𝑚 ≤ 𝑒 ≤ 1 𝜇𝑚 (b) 2µ𝑚 ≤ 𝑒 ≤ 12 𝜇𝑚  Pour les valeurs de 0.01µ𝒎 ≤ 𝒆 ≤ 𝟏 𝝁𝒎 On remarque que l’épaisseur n’a presque pas d’influence sur la valeur du photocourant, figure IV.4(a).  Pour les valeurs de 2µ𝒎 ≤ 𝒆 ≤ 𝟏 𝟐𝝁𝒎 On remarque que l’effet de l’épaisseur commence à se sentir à partir d’une épaisseur (e=4µm). En effet, à partir de cette valeur on a constaté une diminution du photocourant au fur et à mesure que l’épaisseur augmentait, figure IV.4(b). Fort de constater que les faibles épaisseurs de la zone frontale donne les meilleurs valeurs de photocourant, nous avons opté pour une épaisseur de 0.1 μm pour cette région dans tout le reste de notre simulation.

IV.2. Epaisseur de la zone P L’effet de l’épaisseur de la zone P sur la caractéristique I-V est représenté sur la figure IV.5 Page 66

Simulation, Résultats et interprétation 1

e'=100 µm e'=150 µm e'=200 µm

-1

(A)

Courant (A)

0

-2

-3

-4

-5 -0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Tension (V)

Figure IV.5. Effet de la variation de l’épaisseur de la zone P sur la caractéristique I=f(V). Cette figure montre que l’augmentation de l’épaisseur de la zone P influe faiblement sur la valeur de photocourant.

IV.3. Dopage des régions N et P L’effet du dopage des régions N et P est représenté sur la figure IV.6.

1

1

0

14

-3

16

-3

NA=1O cm NA=1O cm 18

NA=1O cm

15

-3

17

-3

19

-3

ND=10 cm

-3

-1

-2

-3

-4

-5 -0,1

(b)

0

Courant (A)

Courant (A)

-1

(a)

ND=10 cm ND=10 cm

-2

-3

-4

-5 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Tension(V)

0,5

0,6

0,7

0,8

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Tension (V)

Figure IV.6. Effet de dopage sur la caractéristique I=f(V). (a) Région N (b) Région P Il est connu que la zone de charge d’espace (ZCE) s’étend vers la région la moins dopée, c’est la région P dans notre cas. En augmentant le dopage de cette partie, on remarque que la valeur de photocourant diminue. Ceci est dû probablement à la diminution de la largeur de ZCE côté P, et qui par conséquence

Page 67

Simulation, Résultats et interprétation influe sur le nombre de porteurs photogénérés en les diminuant. En revanche, on remarque que le dopage n’influe pas sur la caractéristique I-V, côté frontale de notre cellule.

IV.4. Surface du dispositif Pour voir l’effet de la surface du dispositif sur la caractéristique I-V, nous avons fixés les paramètres des zones N et P comme suit : Zone N

𝑒 = 0.1 µ𝑚 𝑁𝐷 = 1019 𝑐𝑚−3

Zone P

𝑒 = 100 µ𝑚 𝑁𝐴 = 1014 𝑐𝑚−3

L’effet de la variation de la surface du dispositif sur la caractéristique I-V est représenté sur la figure IV.7

1 0

2

S = 110 cm 2 S = 150 cm 2 S = 200 cm

-1

Courant (A)

-2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Tension (V)

Figure IV.7. L’effet de la variation de la surface du dispositif sur la caractéristique I=f(V) Cette figure montre que l’influence de la surface de dispositif sur la caractéristique I-V est très importante. En effet, on remarque que l’exposition d’une surface importante du dispositif à un rayonnement permet la génération d’un nombre important de porteurs de charge qui, sous de bonnes conditions peuvent contribuer au photocourant.

IV.5 Effet de la durée de vie des porteurs de charge Pour voir l’effet de la durée de vie des porteurs minoritaires nous avons fixé les vitesses de recombinaison en surface des électrons et des trous côtés émetteur : Page 68

Simulation, Résultats et interprétation ▪ ▪

𝑆𝑛 = 106 𝑐𝑚/𝑠 𝑆𝑃 = 106 𝑐𝑚/𝑠 𝑆𝑛 = 107 𝑐𝑚/𝑠 Vitesse de recombinaison en volume 𝑆𝑝 = 107 𝑐𝑚/𝑠 Vitesse de recombinaison en surface

2

𝜏 = 1µs 𝜏= 10 µs 𝜏 = 100 µs 𝜏 = 1000 µs

0

-1

-2

(A)

Courant (A)

1

-3

-4 -0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Tension (V)

Figure IV.8.L’effet de la durée de vie pour des porteurs minoritaires sur la caractéristique I=f(V) On remarque que dans notre cas l’effet de la durée de vie n’influe pas sur la caractéristique I-V.

IV.6 L’effet de la puissance incidente sur la caractéristique I=f(V) L’effet de la puissance incidente sur la caractéristique I-V comme montre la figure (IV.11)

Page 69

Simulation, Résultats et interprétation 2

Pi = 0.1 W cm

0

Pi = 0.5 W cm

-2

Pi = 1

-2

Rendement (%)

-1

Courant (A)

-2

1

W cm

-2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Longueur d'onde Tension (V)(nm)

Figure IV.9. L’effet de la puissance incidente sur la caractéristique I=f(V) Sur cette figure on remarque que l’augmentation de la puissance s’accompagne avec une augmentation du photocourant. Cette augmentation se traduit tous simplement par le fait que : le rayonnement crée des photo porteurs qui participe à la génération d’un photocourant et plus l’intensité de ce rayonnement augmente plus la génération des photoporteurs est grandes et donc un importante photo courant .

Page 70

Simulation, Résultats et interprétation V- EFFET DES PARAMETRES TECHNOLOGIQUES SUR LE RENDEMENT DE LA CELLULE POTOVOLTAÏQUE SIMULEE V.1. Rendement (ƞ) et la Sensibilité (Réponse) spectrale de la cellule simulée Le rendement quantique (efficacité) d’un photodétecteur représente le rapport entre le nombre de paires électron-trou collectées et le nombre de photons incidents. Il est donné par :

ƞ𝑒 =

𝐼𝑝 ℎ ɸ

𝑞

(électron/photon)

(IV.6)

ℎ𝑣

Iph étant le photocourant. La sensibilité (réponse) spectrale du photodétecteur correspond au rapport entre le photocourant et la puissance optique incidente pour chaque longueur d’onde :

𝑠 𝜆 =

𝐼𝑝 ℎ (𝜆) ɸ(𝜆)

𝑞

= ƞ𝑒 . ℎ𝑐 . 𝜆 = ƞ𝑒 . 0.8. 𝜆 (A /w)

(IV.7)

 S (λ) caractérise la sensibilité du récepteur en fonction de la longueur d’onde λ.  S (λ) est nulle pour toute longueur d'onde supérieure à la longueur d'onde seuil λ0.  S (λ) et ƞe (λ) dépendent du matériau utilisé. Le rendement d’une cellule solaire est limité par différents types de pertes. Ces pertes peuvent être classées en pertes intrinsèques et extrinsèques [4].  Les pertes extrinsèques : ce sont les pertes qu’on peut éliminer. Il s’git des pertes dues à la reflexion, à l’ombrage dû aux contacts, la résistance série et la collecte incomplète des porteurs photgénérés.  Les pertes intrinsèques : ce type de pertes est dû au raisons suivantes : -

L’incapacité de la cellule solaire à répondre efficacement à toutes les longueurs d’onde du spectre solaire.

-

Présence de transitions radiatives.

La figure (VI.10) montre le rendement d’une cellule solaire a-Si(N)/c-Si(p) pour une longueur d’onde de 300µm -1200µm.

Page 71

Simulation, Résultats et interprétation 100

60

40

)

Rendement(%)

80

20

0 200

400

600

800

1000

1200

Longueurd'onde (nm) Figure IV.10. Le rendement d’une cellule solaire a-Si(N)/c-Si(p) Nous allons dans ce qui suivre, voir l’effet de quelques paramètres technologiques sur le rendement de la cellule solaire que nous avons simulé.

V-1. Dopage et épaisseur de la zone frontale La figure montre l’effet de la variation du dopage de l’emetteur sur le rendement externe de la cellule solaire.

e = 0.1 m 100

rendement (%)

80 14

-3

15

-3

16

-3

17

-3

18

-3

19

-3

ND = 10 cm ND = 10 cm 60

ND = 10 cm ND = 10 cm ND = 10 cm ND = 10 cm

40

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

 (nm)

Figure IV.11. Effet du dopage de la zone frontale sur le rendement. Sur cette figure on remarque que même si le rendement pour les forts dopages est faible dans la zone de l’UV, sa valeur augmente et approche la valeur de 95% dans le domaine du visible et du proche IR. Une valeur de 95% est atteinte pour pratiquement tous les dopages à proximité de la longueur d’onde du seuil λ 0. Page 72

Simulation, Résultats et interprétation La Figure IV.12, montre l’influence de l’épaisseur de l’émetteur sur le rendement.

18

100

-3

ND = 10 cm

rendement (%)

80

60

e = 0.01 m e = 0.1 m e = 1 m e = 5 m e = 10 m e = 20 m

40

20

0 300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

 (nm)

Figure IV.12. Effet de la variation de l’épaisseur de l’émetteur sur le rendement. Contrairement au dopage, on constate que la profondeur de la jonction influe d’une manière notable sur le rendement de la cellule solaire. En effet, cette figure montre bien que le rendement diminue à mesure que l’épaisseur de l’émetteur augmente. Notons aussi que l’épaisseur de l’émetteur affecte aussi la largeur de la fenêtre spectrale où l’on remarque que celle dernière rétrécie presque de moitié lorsque l’épaisseur passe de 0.01 μm à 20 μm.

V-2. Durée de vie et vitesse de recombinaison des porteurs de charge

100

Rendement (%)

80

60 -7

 = 10 s -5

 = 10 s 40

-3

 = 10 s -1

 = 10 s  = 1s

20

0 400

600

800

1000

1200

 (nm)

Figure IV.13. Effet de la durée de vie des porteurs minoritaires sur le rendement. Sur la Figure IV.13 nous avons fait varier la durée de vie des porteurs minoritaires de 10-7 μs à 1 μs. Les graphes obtenus montrent une nette amélioration du rendement et par conséquent les performances de notre

Page 73

Simulation, Résultats et interprétation cellule lorsque la durée de vie des porteurs augmente. Une autre conséquence de cette augmentation, l’élargissement de la fenêtre spectrale qui s’étend désormais de la zone de l’UV jusqu’au proche IR. La surface d’un semiconducteur présente de nombreux défauts suite aux différents traitements qu’elle subit. Quand on éclaire uniformément le matériau, la recombinaison superficielle provoque la diminution de la concentration des porteurs excédentaires. La vitesse de recombinaison superficielle dépend des caractéristiques du matériau semiconducteur. La Figure IV.14 montre l’effet de la vitesse de recombinaison superficielle sur le rendement.

100

80

Sn=Sp= 0 cm/s

Rendement (%)

2

Sn=Sp=10 cm/s

60

3

Sn=Sp=10 cm/s 4

Sn=Sp=10 cm/s 5

Sn=Sp=10 cm/s

40

6

Sn=Sp=10 cm/s 7

Sn=Sp=10 cm/s

20

0 300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

 (nm)

Figure IV.14. Effet de la vitesse de recombinaison sur le rendement. Les graphes obtenus pour ce cas présentent le même aspect que celui pour la durée de vie des porteurs, sauf contrairement au cas précédent, ici l’augmentation de la vitesse de recombinaison diminue les performances de notre cellule (rendement) et en particulier l’étendue de la fenêtre spectrale.

Page 74

Simulation, Résultats et interprétation V-3. Effet de réflexion en surface sur le rendement L’effet de la réflexion en surface est représenté sur la Figure IV.15.

100

Rendement(%)

80

60

R = 0% R = 5% R = 10% R = 20% R = 30%

40

20

0 400

600

800

1000

1200

(nm)

Figure IV.15. Effet de la réflexion en surface sur le rendement Comme le montre cette figure, la réflexion en surface a été variée de 0% à 30%, et de manière évidente, on remarque bien que l’augmentation de la réflexion en surface diminue le rendement, néanmoins on ne remarque aucun effet de cette dernière sur la fenêtre spectrale.

VI. Conclusion Page 75

Simulation, Résultats et interprétation Dans ce chapitre, nous avons utilisé logiciel PC1D pour l’étude l’effet des paramètres technologique sur la caractéristique I-V et le rendement externe (ŋ) d’une cellule solaire à hétérojonction (a-Si(N)/c-Si(P)) où il a été démontré que ceux-ci peuvent affecter les performances de la cellule de manières différentes.

VII. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Page 76

Simulation, Résultats et interprétation 1 PC1D User Manuel, PC1D Version 5.9 2 Abderrezek mahfoud , « Modélisation de cellules solaires tandem à couche minces et à haut rendement »,Thèse doctorat, Université Sétif,2015. 3 M. BELARBI, A. BENYOUCEF, B. BENYOUCEF, «SIMULATION OF THE SOLAR CELLS WITH PC1D, APPLICATION TO CELLS BASED ON SILICON», Research Unit Materials and Renewable Energy, Department of Physics,University of Abou Bekr Belkaid-Tlemcen, BP: 119 Tlemcen 13000, Algeria. An International Journal (AEIJ), Vol. 1, No. 3, July 2014. 4 Rebiai-Benahmed , « Cour Composants optoélectronique » ,Saida

Page 77

Conclusion Générale

Conclusion générale CONCLUSION GENERALE La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir. Les besoins énergétiques des sociétés industrialisées ainsi que les pays en voie de développement ne cessent de se multiplier. Le rayonnement solaire est répartie sur toute la surface de la terre, sa densité n'est pas grande et ne cause aucun conflit entre les pays, contrairement au pétrole. Les systèmes photovoltaïques semblent bien s’imposer comme moyen de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique. L’énergie photovoltaïque devient progressivement une source d’énergie à part entière, de plus en plus sollicitée pour produire de l’énergie électrique allant du domestique à de grandes centrales connectées au réseau. Cependant, il reste encore pas mal de freins a son développement en termes de manques de production, de taux de pannes ou bien même de couts prohibitifs rendant cette source d’énergie chère et peu fiable. Les performances d’une cellule PV sont fortement influencées par des paramètres technologique (épaisseurs des zone (N et P), dopage des régions (N et P), surface de dispositif, vitesse

de

recombinaison et la durée de vie des porteurs minoritaires). Dans ce travail, nous avons utilisé une cellule hétérojonction (a-Si/c-Si) pour simuler l’influence des paramètres technologiques sur la caractéristique I-V et le rendement ŋ. La simulation par PC1D de la cellule solaire à hétérojonction en (a-Si/c-Si) nous a permis de calculer les paramètres photovoltaïques qui caractérisent cette cellule solaire sont :  Un courant de court-circuit Icc (A ) = 4.23 A  Une tension du circuit ouvert Vco (V) = 297 mV  le rendement η (%) = 90% Dans ce modeste travail que nous avons fait, nous pouvons donner dans le tableau suivant de l'idéal paramètres technologique Qui nous aidons pour avoir une très bonne valeur :

Dopage de la région (N) 19

10 cm-3

Dopage région (P) 14

10 cm-3

de

la L’épaisseur de la L’épaisseur de la région (N)

région (P)

0.1 µm

100 µm

Les cellules à hétérojonction de tels matériaux, ainsi que leur intérêt pour atteindre les hauts rendements, ont donc été démontrés. Page 79

SOMMAIRE Remerciemment Dédicace Résume ....................................................................................................................................... 3 Abstract .................................................................................................................................... ..3 Listes des figure .........................................................................................................................5 Listes des tableaux......................................................................................................................9 Liste des abréviation ............................................................................................................... …9 Introduction générale ................................................................................................................. 13 Chapitre I : Généralité sur l’énergie renouvelable I .Introduction ............................................................................................................................. 16 II. Définition de l’énergie renouvelable........................................................................................ 17 II.1 L'énergie solaire ............................................................................................................. 18  L’énergie solaire photovoltaïque............................................................................. 19  L’énergie solaire thermique .................................................................................... 20  L'énergie solaire thermodynamique......................................................................... 20 II.2 Énergie Éolienne… ....................................................................................................... 21 II .3 l'énergie hydraulique...................................................................................................... 21  L’énergies marines .................................................................................................21 II.4 L'énergie biomasse.......................................................................................................... 22 II.5 La géothermie ................................................................................................................. 22 III. Conclusion ........................................................................................................................... 23 IV. Références bibliographique .................................................................................................... 24

Chapitre II : Conversion photovoltaïque principe de fonctionnement I.Introduction............................................................................................................................. 26 I.1Rayonnement solaire ........................................................................................................ 26 I.2Le spectre solaire.............................................................................................................. 26 I.3 C’est quoi La lumière...................................................................................................... 27  Optique géométrique .............................................................................................. 28  Optique ondulatoire ................................................................................................ 28  Optique corpusculaire ............................................................................................. 28

SOMMAIRE I.4 Absorption de la lumière par les semiconducteurs .................................................................... 28 I.4.1 Choix du matériau.........................................................................................................29 II. La conversion photovoltaïque : Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque ............. 30 II.1. L’absorption de la lumière.............................................................................................. 31 II.1.2 Coefficient d’absorbation.................................................................................... 32 II.2 Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques ..................................................... 33 II.2.1 Génération optique ............................................................................................. 33 II.2.2 Recombinaison ..................................................................................................34  

Recombinaisons radiatives ....................................................................... 34 Recombinaisons non radiatives................................................................ 34 ჻ Recombinaisons non radiatives type Auger..........................................34 ჻ Recombinaisonnon raditatives type Shockley-Read-Hall ....................... 35

II.3 La collecte des charges .................................................................................................. 35 IV. Caractéristique électrique et les paramètre d’une cellule solaire ............................................... 35 IV.1 Caractéristique courant-tension ...................................................................................... 36 IV.2 les paramètres d’une cellule photovoltaïque ........................................................................... 37 IV.2.1 le courant de court-circuit Icc ........................................................................... 37 IV.2.2 Tension du circuit ouvert Vco ...................................................................................... 37 IV.2.3 La puissance maximale Pm ...........................................................................................37 IV.2.4 Facteur de forme FF ......................................................................................... 40 IV.2.5 Le rendement quantique QE ............................................................................. 41 IV.2.6 Rendement de conversion ƞ ............................................................................... 42 V. Schéma éléctrique équivalent d’une cellule solaire ....................................................................43 V.1 La résistance Shunt Rsh ...................................................................................... 43 V.2 Résistance série Rs .............................................................................................43 V.3 La diode D ......................................................................................................... 43 V.4 La résistance Rc .................................................................................................43 VI. Conclusion ............................................................................................................................ 44

SOMMAIRE VII. Références bibliographique...................................................................................................45

Chapitre III. Cellule photovoltaïque : Principe technologique I. Introduction ........................................................................................................................... 47 I.1 Les propriétés du matériau .............................................................................................. 47 I.2 Propriétés Photovoltaïque de silicium.......................................................................................... 47 II.Le silicium monocristallin et amorphe ................................................................................................. 48 II.1Le silicium monocristallin.............................................................................................. 48 II.2 Le silicium amorphe ..................................................................................................... 50  Les avantages de silicium amorphe.......................................................................... 51  Les inconvénients de silicium amorphe .................................................................... 51 II. La fabrication d’une cellule solaire ......................................................................................... 51 III. 1Purification du silicium .................................................................................................. 51  Etape 1 : Réduction de la silice .............................................................................51  Etape 2 : Purification du silicium ......................................................................... 52 III.2 Les techniques de tirages de silicium ............................................................................. 52  Procédure de Czochralski(CZ) ....................................................................... 52 III.3 Fabrication des plaquettes de silicium...................................................................................... 54 III .4 Structure de cellules photovoltaïques ........................................................................... 54 III.4.1 Passivation des faces avant et arrière de la cellule ................................................ 55 III.4.2 La couche antireflet........................................................................................... 55 III.4.3 Texturisation de la surface ................................................................................. 56 III.4.4 Contacts des faces avant et arrière ...................................................................... 56 III.4.5 La couche fenêtre.............................................................................................. 57 III.4.6 L’émetteur et la base .........................................................................................57 IV. Conclusion............................................................................................................................58 V. Références bibliographique ..................................................................................................... 59

Chapitre IV : Simulation et interprétation

SOMMAIRE I.Introduction............................................................................................................................. 61 II. Le logiciel PC1D ..................................................................................................................... 61 II.1 Aperçu du logiciel .......................................................................................................... 62 II.2 Visualisation des résultats........................................................................................................ 62 III. Simulation et interprétation ..................................................................................................... 63 III.1 Simulation de la caractéristique I=f(V) ........................................................................... 63 III.1.2.Caractéristique I-V sous obscurité.......................................................................... 64 III.1.2.Caractéristique sous ensoleillement ............................................................... 65 III.2 Effet des paramètres technologiques sur la caractéristique I=f(V) de la structure a-Si/c-Si.................................................................................................. 65 III.2.1. Epaisseur de la zone frontale................................................................................. 66 III.2.2. Epaisseur de la zone P............................................................................................ 67 III.2.3. Dopage des régions N et P ......................................................................... 67 III.2.4. Surface du dispositif ................................................................................................ 68 III.2.5. L’effet de la vitesse de recombinaison en surface et de la durée de vie des porteurs minoritaires sur la caractéristique I=f(V)…………………………………………68 III.2.6. L’effet de la réflectance sur la caractéristique I=f(V) .................................... 71 III.2.7. L’effet de la puissance incidente sur la caractéristique I=f(V) ....................... 71 Effet des paramètres technologique sur le rendement (ŋ) de la structure a-Si/c-Si ................................................................................................. 73 III.3.1 Rendement (ƞ) et la sensibilité (Réponse) spectrale de la cellule simulée ............................................................................................ 72 III.3.2. L’effet de l’épaisseur de la zone frontale (n) sur le rendement III.3.3. L’effet de dopage de la zone frontale (n) sur le rendement (ŋ)...................73 III.3.4. L’effet de surface de dispositif sur le rendement (ŋ) .................................... 74 III.3. 5. L’effet de durée de vie des porteurs minoritaires sur le rendement (ŋ) 75 VI. Conclusion............................................................................................................................76

SOMMAIRE VII. Références bibliographique...................................................................................................77 Conclusion générale .............................................................................................................................. 79