Effet de la température sur les paramètres de la photopile bifaciale au silicium polycristallin sous éclairement monochromatique constant

Profils de la densité des porteurs minoritaires en situation de circuit-ouvert et de court-circuit 

Les profils de la densité des porteurs minoritaires dans la base de la photopile, fonctionnant en situation de circuit-ouvert (Sf = 10 cm.s−1 ) puis en court-circuit (Sf = 5 × 105 cm.s−1 ), sous éclairement monochromatique (λ = 800 nm) sont représentés sur la figure 2.4 pour un éclairement par la face avant : Figure 2.4 – Profils de la densité des porteurs minoritaires en situation de circuit-ouvert et de court-circuit pour un éclairement par la face avant. La figure 2.4 montre que : • la densité des porteurs minoritaires en situation de circuit-ouvert diminue avec l’augmentation de la profondeur (z) jusqu’à atteindre un minimum ensuite elle augmente faiblement jusqu’à la limite de la profondeur de la base. Ce résultat est différent de celui réalisé dans les travaux de [Thiam et al, 2013] à une dimension où le densité des porteurs en circuit-ouvert diminue et tend vers zéro ; • la densité des porteurs minoritaires en situation de court-circuit augmente avec  l’augmentation de la profondeur (z) de la base jusqu’à atteindre son maximum. Cette densité diminue, ensuite, progressivement si on tend vers les limites du grain. Nous pouvons aussi dire que l’allure de la courbe de la figure 2.4, en court-circuit, montre la présence de trois zones sur la courbe [Sissoko et al., 1998]. La première zone correspond aux gradients positif de la densité des porteurs minoritaires. Elle correspond aux électrons qui vont traverser la jonction et vont contribuer au photocourant. La seconde partie représente les gradients négatifs de la densité des porteurs de charges en excès dans la base. Cette zone correspond aux électrons qui se recombinent en volume [Madougou et al., 2010]. En fin, la troisième partie où ces deux zones sont limitées à la profondeur et où la densité des porteurs minoritaires en excès dans la base est maximale. A cette zone, le gradient est nul : il y existe un stockage des porteurs de charges ; ce qui va induire une extension de la la zone de charge d’espace en court-circuit. Ce résultat est globalement différent avec des résultats des autres études. En effet, dans ceux-ci, quelque soit le point de fonctionnement, il était remarqué un maximum qui se déplaçait à l’intérieur de la base ou vers l’émetteur. 

Effets de la longueur d’onde (λ), de la taille de grain (R) et de la vitesse de recombinaison aux joints de grain (Sgb) sur le profil de la densité des porteurs minoritaires 

Lorsque la photopile est éclairée par un flux lumineux incident, elle absorbe les photons d’énergie supérieure ou égale à celle du gap du matériau semi-conducteur constituant cette photopile. Chaque photon absorbé crée une paire électron-trou dans la base. La densité des électrons, ainsi photogénérés, varie suivant la profondeur de la base, la longueur d’onde de l’éclairement, la taille de grain et la vitesse de recombinaison aux joints de grain de la photopile. Par la suite, nous étudierons le profil de la densité des porteurs minoritaires de charges en fonction de la profondeur de la base pour différentes valeurs de la longueur d’onde de l’éclairement, de la taille de grain et de la vitesse de recombinaison aux joints de grain de la photopile pour une valeur de la vitesse dynamique à la jonction Sf = 4 × 104 cm.s−1 . 

 Effet de la longueur d’onde (λ) sur le profil de la densité des porteurs minoritaires 

L’influence de la longueur d’onde sur le profil de la densité des porteurs minoritaires de charge en excès dans la base de la photopile en fonction de la profondeur (z) est représentée pour un éclairement par la face avant de la photopile aux figures 2.5 et 2.6 pour les courtes et grandes longueurs respectivement. Nous avons considéré un intervalle de longueurs d’onde de 300 nm à 1100 nm. Cette gamme se subdivise en deux parties : les courtes et les grandes longueurs d’onde [Green et al., 1995]. Figure 2.5 – Effet des courtes longueurs d’onde sur la densité des porteurs minoritaires en fonction de la profondeur de la base pour un éclairement le face avant. L’analyse de la figure 2.5 montre qu’aux courtes longueurs d’onde, les porteurs photogénérés augmentent avec l’augmentation de la longueur d’onde lorsque la profondeur (z) de la base augmente jusqu’à atteindre son maximum vers une valeur limite proche de la jonction, puis décroît à partir de 2, 25 µm tout en gardant toujours son augmentation lorsque la longueur d’onde augmente. Cela s’explique par une diminution du coefficient de réflexion (R0 ) de l’éclairement de la photopile mais également par l’énergie suffisante pour rompre les liaisons métal-électron, impliquant une quantité de mouvement à l’électron extrait qui peut se déplacer de la bande de valence à la bande de conduction. Figure 2.6 – Effet des grandes longueurs d’onde sur la densité des porteurs minoritaires en fonction de la profondeur de la base pour un éclairement le face avant. En analysant les courbes de la figure 2.6 ci-dessus, nous remarquons pour les grandes longueurs d’onde, que la densité des porteurs minoritaires diminue lorsque la longueur d’onde augmente. Ce phénomène est observé car quand la longueur d’onde augmente, dans cette gamme, l’énergie des photons incidents diminue. Les photons efficaces diminuent car l’énergie des photons incidents ne suffisent pas à casser la liaison métal-électron et à fournir  une quantité de mouvement supplémentaire. Le mouvement des électrons de la bande de valence à la bande de conduction est réduit quand la longueur d’onde augmente. 2.4.2 Effets de la taille de grain (R) et de la vitesse de recombinaison aux joints de grain (Sgb) sur le profil de la densité des porteurs minoritaires • Effet de la taille de grain (R) Pour étudier l’effet de la taille de grain sur la densité des porteurs minoritaires, nous allons considérer plusieurs photopiles de différentes tailles de grain mais de même vitesse de recombinaison aux joints de grain (Sgb) et de même température (T). La figure 2.7 décrit l’évolution de la densité des porteurs minoritaires en fonction de la profondeur (z) par variation de la taille de grain. Figure 2.7 – Effet de la taille de grain sur la densité des porteurs minoritaires en fonction de la profondeur de la base pour un éclairement le face avant. La figure 2.7, ci-dessus, illustre le profil de la densité des porteurs minoritaires dans la base en fonction de la profondeur (z) de la base par variation de la taille de grain. Nous notons que le profil des courbes de la densité des porteurs minoritaires de charges augmente lorsque la taille de grain augmente. L’explication qui peut en être tirée est que les recombinaisons en volume baissent avec la taille de grain. Cette explication est tout à fait plausible car nous savons que quand la taille de grain diminue l’activité électrique des joints de grain baissent et donc les pertes de porteurs notées dans ces sites s’amoindrissent [Nzonzolo et al., 2014 ; Zerbo et al., 2014]. Ainsi, le nombre de porteurs qui participent au photocourant croît lorsque la taille de grain augmente [Mbodji et al., 2011a]. 47 • Effet de la vitesse de recombinaison aux joints de grain (Sgb) La figure 2.8 donne le profil de la densité des porteurs minoritaires de charges dans la base en fonction de la profondeur (z) de la base pour différentes valeurs de la vitesse de recombinaison aux joints de grain (Sgb). Figure 2.8 – Effet de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la densité des porteurs minoritaires en fonction de la profondeur de la base pour un éclairement le face avant. Il est noté à travers la figure 2.8 que la densité des porteurs minoritaires de charges décroît lorsque la vitesse de recombinaison aux joints de grain augmente. Ce qui décrit, en quelques sortes, l’effet négatif de l’activité recombinante des joints de grain. En effet, la diminution de la densité des porteurs minoritaires dans la base lorsque la vitesse de recombinaison aux joints de grain augmente peut s’expliquer par le fait que les joints de grain sont des centres de recombinaisons. Ce phénomène réduit considérablement le nombre de porteurs renvoyés à la jonction de la photopile pour participer à la production du photocourant [Corréa, 1996 ; Gueye et al., 2013].  

Effets du mode d’éclairement et de la température sur le profil de la densité des porteurs minoritaires

Les figures 2.9, 2.10 et 2.11 représentent pour différentes températures (298 K, 310 K, 320 K et 330 K), les profils de la densité des porteurs minoritaires dans la base de la photopile, pour respectivement les modes d’éclairement par la face avant, par la face arrière et simultané par les deux faces. Figure 2.9 – Profils de la densité des porteurs minoritaires pour différentes valeurs de la température pour un éclairement par la face avant Figure 2.10 – Profils de la densité des porteurs minoritaires pour différentes valeurs de la température pour un éclairement par la face arrière Figure 2.11 – Profils de la densité des porteurs minoritaires pour différentes valeurs de la température pour un éclairement simultané par les deux faces L’analyse des effets du mode d’éclairement et de la température sur les profils des courbes des figures 2.9, 2.10 et 2.11 nous montre que : • effet du mode d’éclairement : Les courbes des figures montrent que l’éclairement simultané par les deux faces donne la densité des porteurs minoritaires la plus importante, suivi de l’éclairement par la face   avant : les porteurs photogénérés sont plus important pour le double éclairement du fait de l’éclairement par les deux faces de la photopile. Le nombre de photons incidents est plus important que pour les deux autres modes et par conséquent le nombre de porteurs photogénérés est plus important. Cependant la densité des porteurs minoritaires est plus importante pour un éclairement par la face avant, par rapport à l’éclairement par la face arrière, à cause d’importances recombinaisons en mode d’éclairement par la face arrière. De plus, les porteurs générés pour l’éclairement par la face arrière doivent parcourir une grande distance avant d’atteindre la jonction et participer au photocourant. Ces porteurs ont donc moins de chance d’échapper aux recombinaisons en zone arrière et en volume par rapport à ceux du mode d’éclairement par la face avant. Nous remarquons également que les amplitudes des densités des porteurs minoritaires augmentent lorsqu’on se déplace vers l’intérieur de la base jusqu’à la profondeur z = 2, 25 µm. Contrairement aux travaux réalisé par d’autres auteurs [Mbodji et al.,2011a ; Ly et al., 2013] où le maximum de la densité des porteurs minoritaires, selon le mode d’éclairement, se trouve près de la face éclairée. Ce phénomène peut être expliqué par le fait que le mode de fonctionnement des cellules solaires, en situation de circuit-ouvert, est bref et la photopile tend rapidement vers le court-circuit [Leye et al., 2017 ; Diouf et al., 2018] • effet de la température (T) : La densité des porteurs minoritaires augmente avec la température. Cela s’explique par le fait que l’augmentation de la température de la photopile entraîne une diminution de la bande d’énergie (Eg) et par conséquent à l’augmentation du nombre de photons pouvant participer à la photocréation des porteurs dans la base de la photopile entraînant également une diminution de la durée de vie des porteurs [Soro et al., 2017]. En effet à haute température les liens interatomiques sont affaiblis et les porteurs de charge ont besoin d’une énergie faible pour casser ces liaisons et passer dans la bande de conduction. De ce fait lorsque la température augmente, la largeur de la bande d’énergie diminue ; les porteurs de charge ont plus de facilité d’acquérir une énergie thermique supérieure à l’énergie du gap qui leur permet de franchir la bande d’énergie et passer de la bande de valence à celle de conduction.