ETUDE A UNE DIMENSION D’UNE PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE 

MODELE D’UNE CELLULE SOLAIRE

Dans cet article, les auteurs ont fait l’étude du modèle à une exponentielle de la cellule solaire pour permettre la reconstitution de la caractéristique I -V et l’estimation de la puissance fournie par un générateur photovoltaïque constitué de cellules solaires au silicium monocristallin. La reconstruction de la caractéristique courant – tension est obtenue par la méthode des trois points (courant de court-circuit, tension en circuit ouvert, puissance maximale). Figure I- 1 : Schéma équivalent d’une cellule solaire Il existe deux modèles de la cellule photovoltaïque qui sont communément utilisés : le modèle à une exponentielle et le modèle à deux exponentielles. Dans cette étude, nous allons considérer le modèle à une exponentielle. La figure I-1 présente le schéma électrique équivalent de la cellule solaire photovoltaïque conformément au modèle à une exponentielle. Ce modèle comporte : – Un générateur de courant délivrant un photocourant IL généré par la lumière dans la cellule. Le photocourant qui est proportionnel à la quantité de lumière et à la surface de la barrière de potentiel, laquelle absorbe un courant ID. – Une résistance parallèle RP, et une résistance série RS représentent respectivement les pertes ohmiques et les fuites de courant dans la cellule. – Une diode, représentant la jonction P−N dans le silicium. Cette jonction induit une alimentation de charge RC sous tension

MODELE D’UNE CELLULE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE

 IDEAL PHOTOVOLTAIC MODEL (MODEL IDEAL D’UNE CELLULE SOLAIRE) 

Dans le modèle idéal d’une cellule solaire photovoltaïque l’expression du courant peut s’écrire sous la forme (1) IS=courant de saturation VT= kT/q tension thermique k = constante de Boltzmann. Ce modèle consiste en une seule diode reliée en parallèle avec une lumière produite par une source courant. 

NOT-IDEAL PHOTOVOLTAIC MODEL (MODELE PHOTOVOLTAÏQUE NON IDEAL) 

Dans le modèle non idéal d’une cellule solaire photovoltaïque l’expression du courant peut s’écrire sous la forme.La tension aux bornes de la diode est: (4) Où IP représente le courant traversant la résistance parallèle RP (5) Le courant de la diode ID s’écrit donc sous la forme (6) En remplaçant dans (3), les expressions des courants (5) et (6), on obtient l’équation de la caractéristique I−V de la cellule photovoltaïque: (7) n est le facteur d’idéalité de la cellule, qui dépend des mécanismes de recombinaison dans la zone de charge d’espace. K: Constante de Boltzmann T: Température q: Charge de l’électron V: Tension appliquée à la charge utilisatrice 

 LES PARAMETRES DE LA CELLULE 

La méthode de détermination des paramètres intrinsèques (n, RS ,RP ,I0 ,IL ) utilisée, exploite lesdonnées expérimentales fournies par l’auteur dans la section précédente (ICC ,IC0,PM ) et un certain nombre d’hypothèses simplificatrices du modèle.  Facteur d’idéalité Dans le cas de cellules solaires au silicium monocristallin, on considère l’hypothèse d’un facteur d’idéalité. Le facteur d’idéalité est alors considéré comme égal à l’unité, soit. n=1 Courant photonique Pour l’estimation du courant photonique IL si on considère l’expression (6) en situation de court-circuit (I=ICC, V=0), on a: (8) Dans le cas d’une cellule idéale avec n= 1et (Rs→0et RP→), le courant est approximativement égal au courant photonique: (9) Dans le cas d’une cellule idéale {Rs→0et RP→ , et n=1}, on a: (10) La détermination de courant I0 basée sur l’expression (10), donne un courant qui est très négligeable, de l’ordre de (1.6 × 10-10 A). Ce courant est obtenu en utilisant des approximations. Résistance série L’estimation de la résistance série RS, après quelques corrections pour faire coïncider la caractéristique théorique au point PM est de l’ordre de 1.2Ω. Cette résistance correspond à la mise en série des 36 résistances des cellules photovoltaïques, d’où la résistance d’une cellule est: 0.033 ohms. Représentation graphique Comme les mesures concernent le module solaire, qui est constitué de 36 cellules disposées en série, nous introduirons le nombre de cellules M=36 dans l’expression de la caractéristique en prenant RP→  n=1, RS=1.2Ω, ICC=IL ainsi on a : (11) Avec (12) Cette expression, obtenue à l’aide des points fournis par le constructeur, permet de reconstituer la caractéristique I-V du module photovoltaïque. Une représentation graphique I=f(V) est donnée à la Fig. 1. On voit bien que les points donnés par le constructeur correspondent avec ceux de la caractéristique tracée. Figure I- 2 : Caractéristique I-V en conditions standards La figure 2 représente des courbes caractéristiques du panneau solaire utilisé en variant le courant qui dépend directement de l’éclairement reçu par la cellule et de la température de la cellule. 

 EXPRESSION DE LA PUISSANCE EN FONCTION DU COURANT

 Si on néglige RP, de l’expression (9), on peut en déduire l’expression de V en fonction de I. Elle peut s’exprimer explicitement comme suit: (13) D’où la détermination de la puissance qui s’exprime aussi explicitement en fonction de : I (14) Une représentation graphique de la puissance P en fonction du courant I paramétrée par le courant photonique IL est donné à la figure suivante (Fig. 3). Figure I- 4 : Puissance en fonction du courant P=F(I) pour diverses valeurs de IL A titre indicatif, on donnera l’expression de la tension en fonction du courant sans négliger la résistance parallèle de l’équation (7). En utilisant la fonction de Lambert, cette expression peut se mettre sous la forme suivante (15) (16) Cependant, ce modèle ne permet pas de reconstituer la courbe caractéristique au moyen des trois points. La détermination des paramètres nécessite la courbe expérimentale de la caractéristique de la fig.3: Puissance en fonction du courant P=F(I) pour diverses valeurs de IL A titre indicatif, on donnera l’expression de la tension en fonction du courant sans négliger la résistance parallèle de l’équation (7). Cependant, ce modèle ne permet pas de reconstituer la courbe caractéristique au moyen des trois points. La détermination des paramètres nécessite la courbe expérimentale de la caractéristique. 

MEASUREMENT OF AC PARAMETERS OF GALLIUM ARSENIDE / GERMANIUM (GAAS /GE) SOLAR CELL BY IMPEDANCE SPECTROSCOPY 

La spectroscopie d’impédance est employée pour la mesure des paramètres que sont la capacité de transition Ct, la capacité de diffusion Cd, la résistance série Rs et la résistance dynamique Rd d’une cellule solaire à l’arséniure de gallium / germanium. Cette cellule est utilisée à l’obscurité et à température constante puis polarisée avec une tension de 0,3 à 0,95V en faisant varier la fréquence de 1à 60KHz. En donnant le circuit électrique équivalent de la cellule solaire représentée à la figure I-4, utilisant aussi la représentation graphique de la partie imaginaire en fonction de la partie réelle de l’impédance, les résistances série et parallèle Rp ont été déduites. Il est à noter que la résistance parallèle qui est l’équivalente de celles dynamique Rd et shunt RT, est égale à Rd lorsque la tension de polarisation tend vers la tension de circuit ouvert et puis égale à RT si la tension tend vers zéro (court-circuit). La variation de la capacité de la cellule en fonction de la tension de polarisation, a montré une dominance de la capacité de transition pour une tension comprise entre 0,3 et 0,9V mais qu’au-delà de 0,9V, la capacité de diffusion devient plus importante.

 A NEW CHARACTERIZATION METHODE FOR SOLAR CELL DYNAMIC IMPEDANCE 

Cet article met en évidence une nouvelle méthode de caractérisation ou méthode d’impédance d’une cellule solaire GaAs/Ge polarisée en DC avec des signaux carrés. Une comparaison avec le signal sinusoïdal est faite pour une meilleure exploitation des résultats. Cette méthode consiste à placer la cellule solaire dans l’obscurité pour ensuite, à partir d’un modèle électrique équivalent, faire une représentation complexe de l’impédance sur un plan complexe. Le modèle électrique proposé est constitué de paramètres électriques tels les capacités de transition et de diffusion, Rd, Rsh et Rs les résistances dynamique, shunt et série respectivement, qui dépendent du niveau d’irradiation, de la température, du point de fonctionnement, de la nature des matériaux utilisés et de leurs propriétés géométriques. Le dispositif expérimental utilise un intervalle de fréquence de 1 à 30KHz pour des signaux carrés et a permis de représenter la partie imaginaire en fonction de la partie réelle de l’impédance. Les courbes obtenues sont des demi-cercles de rayons et de diamètres connus à partir desquels les résistances dynamique et série sont extraites. Les résultats de cette méthode ont été corroborés par une autre méthode utilisant cette fois-ci des signaux sinusoïdaux avec un dispositif plus complexe. 

ENVIRONNEMENT RADIATIF ATMOSPHERIQUE ETTERRESTRE ISSUS DU RAYONNEMENT COSMIQUE 

Dans cette partie nous présentons l’environnement radiatif atmosphérique et terrestre. La Terre et son environnement immédiat sont relativement protégés des radiations cosmiques grâce au champ magnétique et à l’atmosphère de la terre. Ceux-ci constituent un véritable écran semi-perméable arrêtant la plus grande partie des radiations issues de l’espace. Cependant, compte tenu de l’intégration de plus en plus poussée, les particules qui  franchissent notre barrière naturelle terrestre présentent un niveau de dangerosité qui ne fait qu’augmenter. L’environnement radiatif atmosphérique résulte essentiellement de l’interaction des particules primaires, c’est-à-dire issues des rayonnements cosmiques, avec les atomes constituant les molécules de l’atmosphère (entre autre : 78 % d’azote et 21 % d’oxygène) . L’énergie des particules primaires peut être supérieure au GeV. Les rayonnements les moins énergétiques (<1 GeV) sont renvoyés dans l’espace par le champ magnétique terrestre avant d’atteindre l’atmosphère. Les premières collisions entre les rayons énergétiques (> 1GeV) et l’atmosphère ont lieu aux alentours de 50 km d’altitude. La succession de réactions qui produisent des particules secondaires est appelée cascade neutronique. Elle crée des générations successives de nouvelles particules appelées « rayons cosmiques secondaires » ou « rayons terrestres » d’origine cosmique. Les rayons terrestres d’origine cosmique sont constitués de neutrons (n), de protons(p), de pions (π), de muons (), d’électrons (e-) et de photons (). Toutes ces particules peuvent potentiellement interagir avec la matière ; nous présentons sur la figure suivante le flux total des particules présentes dans l’atmosphère en fonction de l’altitude.