La cellule solaire en couches minces à base de CuInSe2

La cellule solaire en couches minces à base de CuInSe2

Les cellules solaires utilisant le CIS comme absorbeur ont montré un bon rendement de conversion et une bonne stabilité à long terme contre les agressions extérieures. Le peu de matière première utilisée, le faible coût du support (substrat) et la quantité d’énergie électrique consommée lors du processus de dépôt sont autant d’atouts qui rendent cette filière photovoltaïque attractive dans le domaine industriel et dans la recherche. Dans ce chapitre nous donnerons un aperçu sur les propriétés structurales du CuInSe2 à savoir sa structure cristalline et son diagramme de phase. Ceci sera suivi par une brève définition de la technique de sélénisation. II.2. Définition d’une couche mince Par principe, une couche mince est une fine couche d’un matériau déposé sur un autre matériau, appelé « substrat » dont l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur a été fortement réduite de telle sorte qu’elle varie de quelques « nm » à quelques « ȝm ». Cette faible distance entre les deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. Très souvent un tel petit nombre de couches atomiques possède des propriétés très différentes de celles du matériau massif. Par exemple la réflexion optique ou l’absorption peuvent être maîtrisées de manière très précise, de même que la conductivité électrique. La différence essentielle entre le matériau à l’état massif et celui en couches minces est liée au fait que dans l’état massif on néglige, généralement avec raison le rôle des limites dans les propriétés, tandis que dans une couche mince ce sont, au contraire, les effets liés aux surfaces limites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l’épaisseur sera faible plus cet effet bidimensionnelle sera important. En revanche, lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seuil l’effet d’épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif.

Présentation de la cellule photovoltaïque CIS 

Fabrication de la cellule

La filière photovoltaïque à base de couches minces de diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2 noté CIS) et de ses alliages avec le gallium et/ou du soufre )(,(( )), 2 Cu In Ga SeS prend aujourd’hui son envol industriel. Ces cellules solaires sont constituées de plusieurs couches minces semiconductrices avec une épaisseur totale d’environ 2 à 4µm sans le substrat (Figure II.1) [4]. La première étape de fabrication d’une cellule photovoltaïque est le dépôt d’une couche de molybdène ou d’ITO de 1µm d’épaisseur ; généralement par la technique d’évaporation thermique ou de pulvérisation cathodique. Cette couche est le contact ohmique arrière de la cellule ; elle assure l’adhésion entre la couche active de la cellule (génération de photocourant) et le substrat. Une structure typique de ces cellules consiste en une couche absorbeur CuInSe2 de type p, déposée sur du Mo comme contact arrière, une couche tampon CdS de type n suivie d’une couche d’oxyde transparent conducteur (OTC), cette dernière prend cette appellation à cause de leur bande interdite large qui les rendent transparentes pour la plus grande partie du spectre solaire, elle sert comme une couche fenêtre. Entre la couche tampon (CdS) et l’absorbeur se trouve une fine couche nommée OVC (Ordered Vacancy Compound, Défauts Complexes Ordonnés). Cette couche, difficile à délimiter, est formée par les états d’interface entre la couche tampon et l’absorbeur, elle est généralement de type n. ƒ Le substrat: le plus utilisé est le verre sodé ; on peut aussi utiliser des substrats métalliques ou des modules solaires flexibles à couche mince à haut rendement. Ces derniers sont particulièrement adaptés pour de nombreuses applications, par exemple pour les grands parcs solaires, sur les toitures ou les façades des bâtiments ou encore sur les appareils électroniques portables. Ils peuvent être produits à l’aide de procédés de déposition sur rouleaux [4] («roll-to-roll») qui permettent des économies de coût supplémentaires par rapport à la technologie du silicium. ƒ Un contact ohmique inférieur: souvent le molybdène(Mo) ; ƒ Une couche absorbante dans le cas présent, le CIS, de type p ; ƒ Une couche tampon: Avec une conductivité de type n, souvent en CdS, ZnS, InS etc. ou bien du CuInSe2 pour la fabrication des homojonctions. C’est à cette interface que se situe la jonction p-n. ƒ Un oxyde transparent conducteur (OTC): ITO, ZnO, etc. Le ZnO est ici dopé en Aluminium, mais on peut aussi le dopé au Bore pour diminuer les pertes par absorption, ce qui augmenterai l’efficacité quantique des régions près de l’infrarouge. ƒ Un contact ohmique supérieur (grille métallique): Ni-Al au quel est parfois ajouté une couche antireflet ( MgF2 ). Cette couche diminue les réflexions et par conséquent   augmente le nombre de photon arrivant dans l’absorbeur, ce qui permet d’obtenir des rendements de 20% [4]. 

Fonctionnement de la cellule

La structure de la cellule solaire, comporte essentiellement deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement de type n et de type p, (n-CdS et p-CuInSe2 (CIS)). Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. Comme résultat, une partie de la zone initialement dopée n devient chargée positivement, tandis qu’une partie de la zone initialement dopée p est chargée négativement. Une jonction dite p-n est ainsi formée. Cette différence de polarités crée une zone chargée (ZCE) et conduit à l’apparition d’une tension Vbi dans l’hétérojonction. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, ce champ électrique agit comme une diode, ce qui permet aux électrons de passer du côté du CIS vers le CdS, mais pas l’inverse. Le diagramme d’énergie simplifié de l’heterostructure ZnO/CdS/CuInSe2 montrant les énergies de valence et de conduction de la couche absorbante (CIS) de la couche tampon (CdS) et de la fenêtre (ZnO) est porté sur la figure (II. 2). Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes où chacun fait passer un électron de la bande de valence (Ev) vers la bande de conduction (Ec) en engendrant une paire électron-trou (processus 1). Les électrons générés diffusent alors jusqu’à la zone chargée (ZCE) (processus 2) et sous l’action du champ électrique, ils traversent la couche tampon n-CdS (processus 3) générant ainsi un courant électrique de type n. le même processus a lieu pour les trous en générant un courant de type p. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à un courant électrique résultant, (figure II.1). Le fonctionnement du composant peut être aussi décrit en identifiant les mécanismes de perte. Ils peuvent être divisés en trois catégories. Les premiers sont les pertes optiques qui limitent la génération des porteurs et donc le courant du composant. Les seconds sont les pertes parasites, comme les résistances séries, les conductances de shunt, et la dépendance en tension de la collecte du courant qui sont mises en évidence par leur effet sur le facteur de forme mais qui peuvent aussi réduire Icc et Vco influençant la caractéristique I-V [5].  Finalement, il y a les pertes dues aux recombinaisons (électron-trou) qui limitent la tension. Il peut se produire dans la majeure partie de la couche de CIS (processus 4) ou à l’interface de l’hétérojonction (processus 5) à travers les centres de recombinaison, souvent causés par des défauts. Ainsi, l’un des principaux objectifs de la recherche en photovoltaïque est de minimiser la présence de tels défauts.