Effet de la température sur une photopile bifaciale au silicium irradiée et sous éclairement monochromatique en modulation de fréquence

Généralités sur les photopiles bifaciales 

La transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique de type continu est assurée par un dispositif appelé cellule solaire ou photopile. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants: Absorption des photons (dont l’énergie est supérieure à la bande interdite) par le matériau constituant le dispositif ; Conversion de l’énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création de paires électrons-trous dans le matériau semi-conducteur ; Collecte des particules générées dans le dispositif. Les photopiles monofaciales au silicium sont les premiers dispositifs à être utilisés mais leur rendement de conversion était un peu faible et leur coût très élevé. Ainsi pour améliorer le rendement, les recherches se sont accentuées et de nouveaux dispositifs ont vu le jour. C’est en 1977, lors de la première Conférence Européenne sur l’Energie Solaire à Luxembourg que des chercheurs ont présenté les photopiles bifaciales. L’intérêt de ces photopiles est de pouvoir être éclairé simultanément 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 celle-ci. Figure 1: Installation d’une photopile bifaciale Il existe différentes types de cellules solaires bifaciales :  Les photopiles bifaciales à double jonction : La première photopile bifaciale à double jonction de type p+ np+ a été proposé par un chercheur japonais H. Mori en 1960 [31] dans le but d’accroître l’efficacité de conversion des cellules solaires au silicium, limitée à l’époque par la longueur de diffusion des porteurs minoritaires. Il met en exergue le rôle de la deuxième jonction pn à l’arrière pour améliorer l’efficacité de collecte pour les photons à grande longueur d’onde. De nombreux chercheurs ont depuis travaillé sur des cellules solaires de type transistor. C’est alors, entre 1977 et 1980 que des chercheurs de l’Université Polytechnique de Madrid (Polytechnical University of Madrid) ont proposé une structure n+pn+ représenté par la figure 2. Figure 2: Structure d’une 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 photocrées 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) [5, 32]. C’est ce champ arrière qui renvoie les porteurs vers l’intérieur de la base avant qu’ils se recombinent pour augmenter le rendement. Figure 3: Structure d’une photopile à champ arrière BSF.  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 [33,34] 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: Structure d’une photopile à passivation diélectrique. Cependant, la conversion photovoltaique est limitée par différents processus de recombinaison caractérisés principalement par les paramètres phénoménologiques (Vitesse de recombinaison intrinsèque Sf0, la longueur de diffusion L, la vitesse de recombinaison à la face arrière Sb, la vitesse de recombinaison au joint de grain Sgb) et par les paramètres électriques (résistance série, résistance shunt, l’impédance équivalente Z, la capacité de la zone de charge d’espace C). 9 Tous ces paramètres électriques et phénoménologiques dépendent des paramètres extérieurs (température, énergie d’irradiation, longueur d’onde, etc) ; d’où l’intérêt de faire des études sur ces paramètres pour optimiser le rendement de conversion.

 Effet de l’énergie d’irradiation et de la température sur les cellules solaires

  Influence of Irradiation and Damage Coefficient on the Minority Carrier Density in Transient Response for a bifacial Silicon Solar Cell. (Effet de l’énergie d’irradiation et du coefficient de dommage sur la densité des porteurs minoritaires d’une photopile bifaciale au silicium en régime transitoire) [35] Dans cet article les auteurs présentent une étude théorique d’une photopile bifaciale au silicium en régime transitoire. Ils montrent aussi l’effet de l’énergie d’irradiation et du coefficient de dommage sur la longueur de diffusion des porteurs et sur la densité des porteurs. Pour obtenir le régime transitoire, les auteurs ont utilisé un dispositif expérimental donné à la figure 5 [36]. Figure 5: Dispositif expérimental de caractérisation de la photopile. Ce dispositif est composé d’un générateur de signaux carrés (BRI8500) qui conduit un transistor de type MOSFET RFP50N06, deux résistances réglables R1 et R2, une pile solaire de silicium, un oscilloscope numérique, un ordinateur et une source lumineuse multi spectrale. A partir de la caractéristique courant-tension (I-V) de la cellule solaire [37], des résultats ont été obtenus. – Au temps t < 0, la photopile est sous illumination multi spectrale constante, le transistor MOSFET T est arrêté et la cellule solaire est chargée seulement par la résistance R2 : ceci correspondent au point de fonctionnement F2 à l’état d’équilibre ; – Au temps t=0, le transistor MOSFET T s’allume ; – A un temps proche de 600 à 800ns (t>0), le transistor MOSFET T s’allume entièrement de sorte que la résistance R2 soit en parallèle avec la résistance R1+Rdson (Rdson est la résistance de la source). Pour une tension d’entrée suffisante, la valeur de Rdson est très basse (moins d’un ohm) et peut être négligée comparé à celle de R1 (10Ω à 4.7KΩ). La photopile est alors au point de fonctionnement F1 à l’état d’équilibre. 10 Figure 6: Caractéristique photocourant-phototension de la photopile. [37] A l’étude théorique, l’expression de la longueur de diffusion des porteurs est donnée par la relation 2 0 1 ( , ) 1 p p L kl kl L      I-1 Et son profil en fonction de l’énergie d’irradiation pour différentes valeurs du coefficient de dommage est donné sur la figure 7. Ils remarquent que la longueur de diffusion des porteurs diminue à mesure que l’énergie d’irradiation des particules augmente. La longueur de diffusion des porteurs diminue aussi lorsque le coefficient de dommages augmente, mais cette baisse est plus marquée avec les grandes valeurs de l’énergie d’irradiation. Etant donné que la longueur de diffusion est fortement influencée par l’irradiation. Il est clair que le comportement de la cellule solaire sera également influencé par l’irradiation. Figure 7: Longueur de diffusion en fonction de l’énergie d’irradiation. Pour terminer les auteurs ont aussi montré l’influence de l’énergie d’irradiation et du coefficient de dommages sur la densité des porteurs minoritaires.  Radiation damage in silicon detectors. (Effets de l’irradiation sur les détecteurs au silicium) [38] Les auteurs de ce travail présentent les effets de l’irradiation sur des détecteurs au silicium. Ils montrent les principaux types d’effets observés;  augmentation de courant de fuite.  réduction de la mobilité des porteurs.  augmentation de la durée de collecte de charge.  augmentation du temps de montée du signal de sortie.  diminution de la sensibilité à l’éclairement. Les auteurs, partant de la relation empirique entre le coefficient de dommage donné ci-dessous et le type de radiation, proposent un résumé de valeurs de coefficients de dommage pour des particules données et des énergies particulières. 0 1 1 p kl       I-2 Dans cette équation, kl désigne le coefficient de dommage, 𝜙p l’énergie d’irradiation, 𝜏0 la durée de vie des porteurs avant irradiation et 𝜏 celle après irradiation. Les auteurs terminent en montrant l’effet des recuits thermiques sur l’énergie de gap.  Diffusion Coefficient Modeling of a Silicon Solar Cell under Irradiation Effect in Frequency: Electric Equivalent Circuit (Modélisation du coefficient de diffusion d’une cellule solaire au silicium sous l’influence de l’irradiation et de la fréquence : Circuit électrique équivalent). [39] Dans cet article, les auteurs font une étude théorique sur le coefficient de diffusion des porteurs minoritaires d’une cellule solaire au silicium. Après avoir donné l’expression du coefficient de diffusion, l’effet de l’énergie d’irradiation et de la fréquence ont été étudiés sur ce paramètre très important de la cellule solaire. L’expression du coefficient de diffusion dépendant de la fréquence et de l’irradiation est donnée par la relation :    définit précédemment, est la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dépendant du coefficient de dommages et de l’énergie d’irradiation. De cette expression, le diagramme de Nyquist du coefficient de diffusion est représenté à la figure 8. Figure 8: Partie imaginaire du coefficient de diffusion en fonction de sa partie réelle pour différentes valeurs de l’énergie d’irradiation. Le diagramme de NYQUIST obtenu sur cette figure montre des courbes semi-circulaires avec des valeurs négatives de la partie imaginaire du coefficient de diffusion. Avec l’augmentation de l’énergie d’irradiation, le diamètre des demi-cercles diminue ce qui correspond à une diminution de la partie réelle du coefficient de diffusion. Ainsi les performances de la cellule solaire sont fortement modifiées.  Temperature dependence of solar cell performance_an analysis (La dépendance à la température de la performance des cellules solaires) [40] Dans ce travail, les auteurs étudient la dépendance à la température des paramètres de performance (tension de circuit ouvert Vco, courant de court-circuit Jcc, facteur de forme FF et rendement énergétique ɳ) des cellules solaires à base de Ge, Si, GaAs, InP, CdTe et CdS dans la plage de température 273-523K. Ils décrivent trois cas donnant le courant de saturation inverse (J0) qui est un paramètre de diode très important et qui contrôle la variation des paramètres de performance avec la température. Ce courant de saturation est donnée par la relation : 3 0 ( ) J ( ) exp( ) b Eg T T C T K T      I-5 Avec C=17.90mA.cm-2.K-3 dans le cas (I) ; C=50mA.cm-2.K-3 dans le cas (II) et CT3=1.5*108mA.cm-2 dans le cas (III). La dépendance à la température de la bande interdite dans les sémi-conducteurs est décrite dans la littérature [41,42] en utilisant la relation de Varshni : 2 0 ( ) T Eg T Eg T       I-6 Eg0 est l’énergie de gap à T=0K , α et β sont des constantes. Leurs valeurs sont listés sur le tableau 1. L’étude a montré que les valeurs maximum possible de Voc, Jsc, FF et ɳ des cellules solaires, calculées pour AM1.5G et AM0, sont pratiquement les mêmes que dans la littérature. En effet, avec l’augmentation de la température, le courant de saturation inverse croît, et donc, Voc diminue ce qui diminue le facteur de forme et donc l’efficacité de la cellule solaire. Dans le même temps, la bande interdite diminue également avec l’augmentation de la température et cela se traduit par une augmentation de Jsc qui agit pour améliorer l’efficacité de la cellule. Par conséquent, la tendance de Voc à diminuer et Jsc à augmenter avec l’augmentation de la température dans les cellules solaires entraîne globalement une diminution de l’efficacité avec l’augmentation de la température. Ils concluent que la performance des cellules pour le cas (III) donne le meilleur accord entre les données théoriques et expérimentales calculées et disponibles pour les cellules solaires basées sur les matériaux, Si, Ge, GaAs alors que pour InP, CdTe et CdS, le cas (I) semble être plus approprié à 298K.  Studies on the temperature dependence of I–V and C–V characteristics of electron irradiated silicon photo-detectors (Etude de l’effet de la température sur les caractéristiques I-V et C-V d’un photo-détecteur au silicium irradié). [43] Dans cet article les auteurs ont fait une étude et une présentation des mécanismes de transport de courant d’une cellule solaire au silicium de type n+ -p dans des régions différentes de températures et de polarisation avant et après irradiation avec une dose de 350KGy. Ainsi dans la plage de température étudiée, la contribution du courant d’obscurité dans la gamme de polarisation faible est considérée comme étant due à la recombinaison des porteurs minoritaires dans la région de charge d’espace sous irradiation. La caractéristique Capacité-tension (C -V) à différentes températures a aussi été mesurée pour déterminer la présence de niveaux profonds dans le dispositif. Pour cela, les photo-détecteurs utilisés dans la présente étude ont été fabriquées par diffusion de phosphore dans la base (p) sur des plaquettes de silicium monocristallin d’orientation 00S / 1. Une couche de p + (champ de surface arrière) a été créée à la surface arrière de la tranche de silicium par dépôt d’aluminium. Comme contacts ohmiques avant et arrière, un revêtement métallique comprenant de titane, de palladium et d’argent déposés en utilisant un faisceau d’ions pulvérisés ont été utilisés. L’oxynitrure de silicium a été faite sur la zone active du dispositif à l’aide de faisceaux d’ions par pulvérisation cathodique pour faire le revêtement antireflet.