Influence de l’indice de réfraction, de l’épaisseur de la couche antireflet, sur la réponse spectrale d’une cellule solaire au silicium

L’Effet Photovoltaïque

Introduction

Ce chapitre présente les bases pour la compréhension du sujet. Nous aborderons d’abord les notions nécessaires sur la source d’énergie et les différents types de silicium exploité dans le domaine photovoltaïque. Nous décrirons ensuite les propriétés optiques des différents types de silicium. Enfin, nous terminerons par l’étude du choix des couches antireflets sur le silicium.

Notions sur le rayonnement solaire

L’élaboration, l’optimisation et la caractérisation des cellules photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d’énergie utilisée: le soleil. La surface de celui-ci se comporte comme un corps noir à la température d‟environ 5800 K. Le Soleil émet son énergie principalement sous forme de rayonnements électromagnétiques dont l’ensemble forme le rayonnement solaire, qui se propage à la vitesse de la lumière, le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l‟ultraviolet (0,2μm) à l’infrarouge lointain (2,5μm).Lorsque ce rayonnement solaire traverse l‟atmosphère, il subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènesd‟absorption par les molécules desdifférentes couches atmosphériques, conditions climatiques, ladiffusion moléculaire de Rayleighet les poussières. Aussi le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O),pour les infrarouges au-dessus de 2μm, absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison, cequiconduit à des trous dans les spectres solaires visibles au sol comme le montre les spectres solaires.On Utilise la notation AM1 quand le soleil est au zénith et AMO hors atmosphère la partie la plus importante du spectre solaire à la surface de la terre concerne le domaine du visible(390-780 nm) et proche infrarouge. (figure1).

Généralités

Parmi les semi-conducteurs pouvant être utilisés comme matériau de base des cellules solaires, le silicium présente le meilleur rendement et une grande disponibilité sur terre,représentant 26% de la croûte terrestre. Naturellement gris, le silicium peut être cristallin ou amorphe. Si le silicium est à l‟état massif, il est dit dans ce cas cristallin, du fait de sa structure ordonnée. On distingue alors le silicium polycristallin, le silicium monocristallin et le silicium amorphe.

Silicium monocristallin

Il est constitué d‟un seul cristal offrant à la cellule un arrangement parfait des atomes. Ilprésente un rendement légèrement supérieur au silicium polycristallin (15 %) ; néanmoins, il resteassez onéreux en raison de son exigence de grande pureté et de l‟importante quantité d‟énergie nécessaire à sa fabrication. C‟est ainsi que la figure 1 représente la cellule photovoltaïque ausilicium monocristallin.

Silicium polycristallin

Le silicium polycristallin (multicristallin) fabriqué principalement à partir de sources de matériau moins raffinées ou des rebuts de l‟industrie micro- électronique, mais convient à l’industrie photovoltaïque. La majeure partie de ce matériau est produite par des procédés de solidification unidirectionnelle, tels que le Polix (Photowatt) ou le Baysys (Bayer). Il se présente également sous forme de lingots qu’il faut découper. Les rendements des cellules obtenues sont légèrement inférieurs (15%). Cependant c‟est le matériau qui conduit au coût le plus faible au Wc (watt- crête), en comparaison avec d‟autres procédés.

Silicium amorphe

Un matériau est dit amorphe lorsque la distribution de ses atomes est désordonnée, ou s’il‟arrangement ordonné de ses atomes ne porte que sur un nombre limité de ces derniers. On Parle alors d’ordre à courte distance (quelques dizaines d‟angströms).Ce type de cellules, de structure moléculaire non cristalline, nécessite moins d’énergie pour leur production que les cellules cristallines, car il est composé de couches minces. Leur rendement actuel atteint 9% en industrie et environ 11% en laboratoire. Cependant, le silicium amorphe permet de produire des panneaux de grandes surfaces à faible coût en utilisant peu de matières premières.

Choix sur les matériaux

Le silicium a souvent été qualifié de matériau du. Avec ses multiples formes et ses nombreux composés (oxyde, nitrure, oxynitrure), ses domaines d’application ne cessent d’élargir. Il est bien connu que les matériaux amorphes à base de silicium et élaborés sous forme de couches minces jouent un rôle important dans plusieurs domaines d’applications, notamment l’optique et la microélectronique. Les composés tels que la silice (a-SiO2) et le nitrure de silicium(a-Si3N4) sont largement utilisés pour la réalisation de dispositifs optiques modernes et lors de la conception de circuits intégrés [6].Les dispositifs optiques modernes nécessitent de plus en plus l’ajout de couches minces permettant une meilleure transmission des ondes électromagnétiques dans un domaine particulier(revêtements antireflet), ou la transmission de certaines longueurs d‟onde et la réflexion pour les autres (filtres), ou encore des couches hautement réfléchissantes.Dans le domaine de la microélectronique, l’augmentation des performances et la fiabilité des produits sont un objectif permanent. Pour l’atteindre, il est à la fois nécessaire de réduire les dimensions des composants et d’améliorer les propriétés des matériaux. Ceci multiplie fortement le nombre et la complexité des opérations.Malgré les nombreuses contraintes, on cherche à obtenir de « bons » matériaux en optimisant les procédés d‟élaboration. Dans le cas des matériaux amorphes, cette démarche passe impérativement par la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les propriétés de la matière désordonnée. Dans ce contexte, les premiers travaux se rapportent à la structure des couches minces de silicium amorphes. Le désordre dans ce matériau a été corrélé à ses différentes propriétés. L’étude s’est étendue à la silice qui est devenue, aujourd’hui, un matériau très connu.

 Description et présentation des différentes parties d‟une photopile solaire au silicium

Description d’une cellule solaire classique

La jonction de deux semi – conducteurs de type p et de type n constitue une cellule solaire capable de transformer l’énergie lumineuse en énergie électrique