DETERMINATION DES PARAMETRES DE RECOMBINAISON D’UNE PHOTOPILE BIFACIALE DE TYPE p+nn+

LES PHOTOPILES BIFACIALES

Les cellules solaires appelées aussi photopiles transforment directement l’énergie solaire en énergie électrique de type continu. Les photopiles monofaciales sont les premières à être utilisées mais leur rendement était un peu faible et leur coût très élevé. Plusieurs travaux de recherches [4, 5] ont été menés sur les photopiles dans le but d’améliorer leur rendement de conversion photovoltaïque. C’est en 1977 lors de la première Conférence Européenne sur l’Energie Solaire que les chercheurs ont présenté certains nouveaux types de photopiles, notamment les photopiles bifaciales [6] L’intérêt de ces photopiles est de pouvoir être éclairé sur les deux faces : • pour la face avant avec l’éclairement incident normal • pour la face arrière avec l’albédo qui représente le flux lumineux réfléchi par le revêtement du plan horizontal où est installée la photopile (figure 1). Cet éclairement des deux faces de la photopile entraine donc une augmentation du rendement de la photopile [7]. Figure 1:Installation d’une photopile bifaciale Il existe différents types de photopiles bifaciales :  Les photopiles bifaciales à double jonction . La première photopile bifaciale à double jonction de type p+ np+ a été proposé par H.Mori [7]. Il met en exergue le rôle de la deuxième au niveau de la face arrière. Figure 2:Photopile à double jonction Quand la photopile est éclairée les photons qui ont une grande longueur d’onde sont générés à l’intérieur de la base et les porteurs crées pourront être collectés au niveau de la deuxième jonction et augmenter le rendement. Elle peut être aussi éclairée par le principe de l’albédo. Le problème majeur se trouve au niveau de la face arrière ; puisqu’elle est métallisée les porteurs photocréés pourront s’y recombiner et diminuer le rendement. C’est dans ce contexte que des recherches ont êtes faites pour améliorer la photopile et ont conduit à différentes passivations de la face arrière.  Les photopiles bifaciales à champ arrière BSF Pour pallier aux phénomènes de recombinaison au niveau de la face arrière, un surdopage de faible épaisseur y est réalisé. Cette jonction « high-low » crée un champ arrière qualifié de BSF (Back Surface Field) [8, 9]. C’est ce champ arrière qui renvoie les porteurs vers l’intérieur de la base avant qu’ils se recombinent pour augmenter le rendement. Chapitre I : Etude bibliographique 9 Mémoire de Master 2 présenté par Ndèye Thiam FST, UCAD, 2009 Figure 3: Photopile bifaciale à champ arrièr  Les photopiles bifaciales à passivation diélectrique Sur ces photopiles le métal au niveau de la face arrière est remplacé par une grille et l’interface est passivé par un diélectrique. Deux chercheurs [4, 10] ont proposé une structure simple n+ p en 1977 ou ils ont utilisés l’oxyde (SnO2) pour passiver la face arrière et la bifacialité mesurée est de 63%. Figure 4: Photopile à passivation diélectrique La conversion photovoltaïque est limitée par les différents processus de recombinaison : (recombinaisons en volume de type Auger, Shockley-Readhall et radiatives [1], recombinaisons en surface [11]) . Ces différents processus de recombinaison sont caractérisés par deux types de paramètres : Chapitre I : Etude bibliographique 10 Mémoire de Master 2 présenté par Ndèye Thiam FST, UCAD, 2009  Les paramètres phénoménologiques [12]: il s’agit de la vitesse de recombinaison intrinsèque Sf0, de la longueur de diffusion L, de la vitesse de recombinaison à la face arrière Sb, de la vitesse de recombinaison au joint de grain Sgb.  Les paramètres électriques [13] : Ce sont la résistance série Rs, la résistance shunt Rsh, l’impédance équivalente Z, la capacité de la zone de charge d’espace C. La connaissance de ces paramètres et la maîtrise des processus technologiques sous-jacents sont incontournables pour l’amélioration du rendement de conversion de la photopile. Pour cela, diverses techniques de caractérisation ont été mises en œuvre : oRégime statique [14] o Régime dynamique fréquentiel(ou de modulation de fréquence et changement de phase) [15], [16] o Régime dynamique transitoire [17,18] Dans ce travail nous étudions la photopile bifaciale de type p+ nn+ [19] en régime statique sous éclairement multispectral constant. Les auteurs de [19] montrent que l’effet du BSF est plus efficace avec la cellule p+ nn+ quand la résistivité est moyenne ce qui conduit à des durées de vie beaucoup plus intéressante en utilisant leur méthode de déposition

ETUDE THEORIQUE D’UNE PHOTOPILE BIFACIALE EN REGIME STATIQUE

Nous étudions une photopile bifaciale au silicium éclairée par sa face avant. Dans ce chapitre nous allons voir l’évolution de la densité de porteurs minoritaires en fonction de la profondeur, de la densité de photo courant et de la phototension en fonction de la vitesse de recombinaison au niveau de la jonction. II.2 DESCRIPTION DE LA PHOTOPILE Une photopile est constituée de quatre parties :  La première partie appelée face avant (de type p+) de faible épaisseur (0.75µm) fortement dopée (7.1019 cm-3) est appelé émetteur.  La deuxième partie (de type n+) d’épaisseur plus important (321µm) et moins dopée que l’émetteur (4.1016 cm-3) est appelée base.  La troisième est la zone entre l’émetteur et la base ou existe un champ électrique intense qui permet de séparer le pair électron trous créée.  La face arrière surdopée crée un champ électrique qui renvoi les porteurs photogénérés dans la base (c’est l’effet champs arrière ou BSF ou Back Surface Field) Figure 5:Photopile bifaciale

ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN EXCES (TROUS)

Résolution de l’équation de continuité Quand la photopile est éclairée les porteurs minoritaires en excès qui sont des trous obéissent à l’équation de continuité qui traduit la conservation de charges. L’équation s’écrit en régime statistique : (II-1) Ou (II-2) δ(x) est la densité des porteurs minoritaires générés dans la base à l’abscisse x.  G(x) est le taux de génération des porteurs minoritaires générés dans la base sous lumière blanche constante D est le coefficient de diffusion des porteurs génère dans la base. L est la longueur de diffusion τ est la durée de vie des porteurs dans la base [20] Les termes ai et bi sont des coefficients tabulés du rayonnement solaire sous AM=1.5 a b a1=6,13.1020 b1=6630 a2=0,54.1020 b2=1000 a3=0,0991.1020 b3=130 La résolution de l’équation de continuité a donné comme solution (II-3) Avec (II-4) A et B sont des constants à déterminer à partir des conditions aux limites suivantes. [3] • A la jonction (II-5) • A la face arrière (II-6) SF : Vitesse de recombinaison à la jonction D : Coefficient de diffusion des porteurs minoritaires dans la base. SB : Vitesse de recombinaison à la face arrière H: Profondeur de la base 

Profil de la densité des porteurs minoritaires en excès

L’allure de la courbe de la densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur dans la base pour différentes valeurs de la vitesse de recombinaison à la jonction est représentée par la figure (6). Chapitre II : Etude Théorique d’une photopile bifaciale en régime statique 15 Mémoire de Master 2 présenté par Ndèye Thiam FST, UCAD, 2009 Figure 6:Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur dans la base (sb=104 cm/s,H=321µm,L=300 n=1) Quand la photopile, est éclairée par sa face avant aux faibles valeurs de Sf ou nul le maximum de la densité se trouve au niveau de la jonction ou proche et le gradient est positif aucun porteur ne traverse la jonction on est en situation de circuit ouvert. Le nombre de porteur qui traverse la jonction qui traverse la jonction augmente avec Sf et en situation de court -circuit tous les porteurs on traversés . L’allure de la courbe de la densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur dans la base pour différentes valeurs de la vitesse de recombinaison à la face arrière est représentée par la figure (7). Figure 7: Densité des porteurs minoritaires en excès en fonction de la profondeur dans la base (SF=2.104 cm/s, H=321µm,L=300µm n=1) Quand la photopile est éclairée par la face avant à la faible valeur de Sb le gradient au niveau de la face arrière est faible et les pertes diminuent c’est le cas des photopiles à champ arrière. Le gradient augmente avec les grandes Chapitre II : Etude Théorique d’une photopile bifaciale en régime statique 16 Mémoire de Master 2 présenté par Ndèye Thiam FST, UCAD, 2009 valeurs de SB ce qui entraine beaucoup de pertes. C’est le cas des photopiles à contact ohmique

ETUDE DE LA DENSITE DE PHOTOCOURANT

Quand une photopile est éclairée elle génère un courant qui peut s’exprimer comme suit : (II-7) Ou en remplaçant δ(x) il vient : (II-8) L’allure de la courbe de la densité de courant en fonction de log de la vitesse de recombinaison SF pour différentes valeurs de la vitesse de recombinaison en face arrière SB est représentée par la figure (8). Figure 8:Densité de courant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (D=13, H=321µm ; L=300mµ) Quelques soit la valeur de la vitesse de recombinaison à la face arrière SB aux faibles valeurs de la vitesse de recombinaison à la jonction SF la densité de photocourant est presque nul c’est la situation de circuit ouvert et cela s’expliquent par le fait que les porteurs ne traversent pas la jonction il y’a stockage. Cette densité de photocourant augmente avec les grandes vitesses de recombinaison et atteint une valeur limite qui est le courant de court circuit à ce niveau tous les porteurs ont traversé la jonction et participent au courant. L’allure de la courbe de la densité de courant en fonction de logarithme de la vitesse de recombinaison la face arrière pour différentes valeurs de la vitesse de recombinaison à la jonction est représentée par la figure (9).  Figure 9:Densité de courant en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière (D=13, H=321µm ; L=300mµ) Quand le point de fonctionnement est fixé aux faibles valeurs de la vitesse de recombinaison à la face arrière le photocourant est maximal (BSF idéal) et constant. Le photocourant diminue et atteint le minimum (contact ohmique) avec les grandes valeurs de vitesse de recombinaison à la face arrière puisqu’il traduit les pertes au niveau de la face arrière. II.5 ETUDE DE LA PHOTOTENSION Lorsque la photopile est soumise à un éclairement la tension à ses bornes est donnée par la relation de Boltzmann: (II-9) VT=K.T/q VT est la tension thermique ni est la concentration intrinsèque Nb est le taux de dopage K est la constante de Boltzmann T est la température L’allure de la courbe de la phototension en fonction de logarithme de la vitesse de recombinaison SF pour différentes valeurs de la vitesse de recombinaison en face arrière SB est représentée par la figure (10)