PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE SOUS POLARISATION ELECTRIQUE

Les photopiles à jonction verticale 

Photopile à jonction verticale durcie (Vertical junction hardened solar cell) [5] Dans cet article les auteurs ont fait la description d’une invention de cellule solaire pour une utilisation dans l’espace. Cette cellule solaire a été conçue de telle sorte que tous les porteurs de charges soient formés pratiquement près d’une jonction ce qui conduit à un rendement de 15% par rapport à 11% pour les cellules solaires classiques. Ces cellules solaires résistent mieux au rayonnement solaire et ont été fabriquées de façon à ce que le rayonnement arrive parallèlement au plan de la jonction. C’est des cellules solaires à jonction verticale. Ces cellules peuvent être connectées soit en série, soit en parallèle ou soit en série-parallèle. Une connexion des cellules en parallèle a été proposée comme l’indique la figure ci-après. Figure I.1 : connexion en parallèle de trois cellules solaires à jonction verticale. 31, 32 et 33 représentent des cellules solaires reliées entre elles par soudure ultrasonore de l’aluminium. 34 est une bande d’aluminium reliant les cellules 31 et 32. 35 et 36 constituent les bornes de polarisation du dispositif. Analyse à une dimension des cellules solaires à jonction verticale (Vertical multijunction solar-cell one dimensional analysis) [6]. Cet article présente une étude à une dimension du courant de court-circuit, du courant de saturation, de la tension de circuit ouvert et de la puissance maximale d’une cellule solaire à jonction verticale. Les auteurs de cet article ont souligné l’avantage des cellules solaires à jonction verticale par rapport aux cellules classiques ou conventionnelles. En effet avec les cellules à jonction verticale on peut augmenter le rendement en dopant fortement l’émetteur et la base sans diminuer les porteurs de charges photocréés. Les pertes de porteurs dues aux recombinaisons diminuent lorsqu’on réduit la distance entre les jonctions de telle sorte qu’elle soit plus petite à la longueur de diffusion. Ce qui est possible avec une photopile à jonction verticale dont une représentation est donné ci-après. Figure I.2 : (A) structure d’une cellule solaire à jonction verticale ; (B) configuration en parallèle; (C) configuration en série La différence notée entre les configurations (B) et (C) est que pour la première les paires électron-trous arrivant à la jonction se séparent pour participer à la génération du courant tandis que pour la dernière les paires électron-trous arrivant au niveau du contact ohmique se recombinent. Aussi le courant collecté avec la configuration en parallèle est double de celui collecté avec la configuration en série. Cette étude a été faite en faisant les hypothèses suivantes :  Pas de recombinaisons à la face avant et à la face arrière ;  Pas de recombinaisons à la zone de charge d’espace ;  Pas de réflexions sur les surfaces. En tenant compte des hypothèses posées, cette étude a montré que le rendement de conversion d’une cellule solaire à jonction verticale est supérieur de 40% au rendement de conversion d’une cellule conventionnelle. D’où l’intérêt de s’intéresser à ces nouvelles types de cellules solaires. Photopiles à jonction verticale (Vertical junction cells) [7]. L’auteur de cet article expose une méthode de fabrication d’une cellule solaire à jonction verticale. Il a présenté une structure de base d’une cellule solaire à jonction verticale. L’avantage de ces types de cellules est que même avec de petites longueurs de diffusion, les porteurs peuvent être générés à travers toute la section transversale de la cellule. Les deux types de connexion des cellules ont été représentées suivant les schémas (a) et (b) cidessous. Figure I.3 : (a) connexion en série de cellules solaires à jonction verticale ; (b) connexion en parallèle de cellules solaires à jonction verticale Toutefois lorsque l’éclairement est non-uniforme la connexion en série présente des difficultés qui peuvent être surmonté avec la connexion en parallèle. La photopile solaire au silicium de Lamelle (The Lamella Silicon Solar Cell) [8] . Un nouveau concept de photopile à jonction verticale constituée de lamelles a été développé dans cet article. L’objectif de cette étude est d’améliorer le rendement de la photopile en réduisant la distance qui sépare l’émetteur et l’endroit où les porteurs sont photocréés dans la base. Pour ces photopiles les lamelles de 250 µm de profondeur sont obtenues mécaniquement à l’aide d’une scie découpante munie d’une lame mince large de 15 µm qui crée dans la partie antérieure de la photopile des fentes de profondeur 170 µm. La largeur de ces lamelles varie de 50 à 100 µm selon que la photopile est monocristalline ou polycrystalline. Selon la structure des lamelles on distingue deux types de conceptions de photopile de lamelles:  La photopile de lamelles dont les grilles en forme de doigts se trouvent sur des plateaux (figure I.4)  La photopile de lamelles dont les grilles en forme de doigts se trouvent sur le long d’un côté particulier au niveau des bouts affilés de lamelles (figure I.5). Figure I.4 : photo montrant les doigts d’une grille de cellule de lamelles se trouvant sur des plateaux. Figure I.5 : photo montrant les doigts d’une grille de cellule de lamelles se trouvant sur un côté particulier de chaque deuxième bout marquée par des flèches. Pour affiler les lamelles, on peut le faire mécaniquement avec une lame sciante biseautée (comme aux figures I.4 et I.5) ou faire une gravure par passage à l’acide fort (figure I.6). L’inconvénient de cette dernière option est l’amincissement extrême des lamelles et de la largeur élevée des fentes. Figure I.6 : photo montrant les doigts d’une grille de cellule de lamelles se trouvant sur un côté de chaque deuxième bout de lamelle après une longue gravure à l’acide fort. On couvre les cellules d’oxyde en les exposants à la lumière suivant un angle par rapport à l’ombre d’une lamelle (traitement par photolithographie superficielle SAP). Voir images ci-après. Figure I.7 : image d’une cellule de lamelles exposée en une durée courte à la lumière qui vient de la gauche. Figure I.8 : image d’une cellule de lamelles exposée en des durées différentes à la lumière qui vient de la gauche. Selon la largeur des lamelles et la nature du matériau de base les cellules de lamelles sont réparties en trois groupes:  Cellules de lamelles monocristallines  Cellules de lamelles polycristallines  Cellules de lamelles de Bayer RGS Les auteurs ont obtenu avec les cellules de lamelles monocristallines un rendement de 15,9% pour un grain de 4 cm2 avec une simple couche antireflet ARC.

 Techniques de caractérisation des photopiles en régime statique

 External Electric Field Influence on Charge Carriers and Electrical Parameters of Polycrystalline Silicon Solar Cell [9]. Cet article étudie l’effet d’un champ électrique de polarisation sur une photopile au silicium à jonction horizontale sous illumination polychromatique en régime statique. La polarisation électrique est obtenue en appliquant une différence de potentiel à la photopile (voir figure). Figure I.9 : photopile solaire au silicium de type n-p-p+ sous polarisation électrique externe. La polarisation externe crée un champ électrique interne qui influence sur le mouvement total des porteurs. Le champ E est la somme du champ électrique externe résultant de la polarisation et du champ électrique interne de la photopile. Donc ext  EEE int En tenant compte du champ électrique de polarisation une nouvelle relation de l’équation de continuité a été donnée. 0 )()()()( 22 2 2         n n n E D xG L x x x L L x  x  (I-1) Avec n n E D L EL 2   où Ln est la longueur de diffusion, Dn est le coefficient de diffusion, µ la mobilité des porteurs et E le champ électrique. G(x) représente le taux de génération des porteurs à la position x : ea x i i bi xG    3 1 )( et δ(x) la densité des porteurs minoritaires. L’expression de la densité des porteurs minoritaires, du photocourant, de la phototension et de la vitesse de recombinaison à la face arrière toutes dépendantes du champ électrique ont été déterminées. L’effet du champ électrique de polarisation sur ces paramètres a été analysé. Il ressort de cette étude que le champ électrique de polarisation augmente la mobilité des porteurs près de la jonction. Ainsi les porteurs acquièrent une énergie suffisante pour traverser la jonction et participer au photocourant. Cela entraîne un élargissement de l’épaisseur de la zone de charge d’espace qui conduit à l’augmentation du courant de court-circuit. On note une diminution de la tension de circuit ouvert, de la vitesse de recombinaison en face arrière ainsi que les recombinaisons en volume lorsque le champ électrique de polarisation augmente. Techniques de détermination des paramètres de recombinaison et le domaine de leur validité d’une photopile bifaciale au silicium polycristallin sous éclairement multi spectral constant en régime statique [10]. Dans cet article, les auteurs ont proposé des techniques de détermination des paramètres de recombinaison et leur domaine de validité d’une photopile bifaciale au silicium polycristallin sous éclairement multispectral. Après une étude théorique, les auteurs ont fait une étude expérimentale pour déterminer les paramètres tels que la longueur de diffusion effective Leff et les vitesses de recombinaison intrinsèque à la jonction Sf et en face arrière Sb. Pour déterminer la longueur de diffusion effective Leff deux méthodes ont été élaborées. Il s’agit de la technique de l’intersection des courbes expérimentale et théorique des courants de courtcircuit (T.I.C.C.C) et de la technique de l’intersection du rapport des courants de court-circuit (T.I.R.C.C.C). En effet en faisant tendre la dérivée de la densité de photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction vers zéro, on obtient l’expression du courant de court-circuit qui dépend uniquement de la longueur de diffusion.  0     f ph S J (I-2) A partir des relations mathématiques de la densité du courant de court-circuit obtenues les courbes théoriques des courants de court-circuit en fonction de la longueur de diffusion pour les trois modes d’éclairement ont été représentées. Aussi les auteurs ont tracé le profil du rapport de densité de photocourant de court-circuit )( )( )( 2 1 LJ LJ L CC CC   en fonction de la longueur de diffusion. Les courbes expérimentales des courants de court-circuit sont obtenues par mesure à partir du dispositif suivant. Figure I.10 : dispositif expérimental. Ce dispositif expérimental est constitué:  d’une photopile bifaciale au silicium de 27 cm2 ;  d’un voltmètre numérique de type métrix ;  d’une résistance R faible de 1 Ω ;  d’un interrupteur K et  de deux sources lumineuses multi spectrales (deux lampes de 100 W). Lorsque l’interrupteur K est ouvert, la photopile est en parallèle avec le voltmètre qui mesure la tension du circuit ouvert (Vco). Quand l’interrupteur K est fermé, la photopile et le voltmètre sont shuntés par la résistance R. Dans ce cas, le voltmètre mesure la tension de court-circuit (Vcc) qui donne directement la valeur du courant de court-circuit suivant la loi d’Ohm CC CC  IRV avec R = 1 Ω. Les auteurs ont tracé sur le même repère les courbes expérimentale et théorique des densités de courant de court-circuit en fonction de la longueur de diffusion. Avec la technique T.I.C.C.C la longueur de diffusion effective Leff est déterminée en projetant le point d’intersection des courbes expérimentale et théorique de la densité des courants de court-circuit sur l’axe des abscisses. Figures I.11: Densité de photo courant de court-circuit en fonction de la longueur de diffusion L pour différents niveaux d’éclairement n : D =26 cm2 /s, H =0.03cm : (a) éclairement face avant ; (b) éclairement face arrière. Figure I.12: Détermination de la longueur de diffusion effective Leff à partir de la densité de courant de court-circuit pour un éclairement simultané sur les deux faces : n =0.312, D=26 cm2 /s, H =0.03 cm. En utilisant la technique T.I.R.C.C.C la longueur de diffusion effective Leff est obtenue en projetant le point d’intersection des courbes expérimentale et théorique du rapport des densités des courants de court-circuit sur l’axe des abscisses.Figure I.13: Technique de détermination de la longueur de diffusion effective en fonction du rapport des courants de court-circuit : D = 26 cm 2 /s, H =0.03 cm, n = 0.375. Pour la détermination de la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction Sf les auteurs ont utilisé la technique de l’intersection des courbes de tension de circuit ouvert (T.I.C.T.C.O). Cette technique consiste à représenter sur le même repère les courbes expérimentale et théorique de la tension de circuit ouvert. Le point d’intersection de ces courbes projeté sur l’axe des abscisses donne la valeur de la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction Sf0 pour chaque mode d’éclairement. Quant à la vitesse de recombinaison intrinsèque en face arrière Sb on l’obtient en remplaçant la valeur de la longueur de diffusion effective correspondante dans l’expression de la vitesse de recombinaison en face arrière Sb suivant chaque mode d’éclairement. Dans cet article les auteurs ont également fait l’étude des incertitudes sur la détermination de la longueur de diffusion effective pour mettre en évidence la fiabilité des techniques étudiées. Il en résulte que l’incertitude sur la longueur de diffusion effective Leff est intimement liée à la qualité de mesure des courants de court-circuit. Aussi ces techniques présentent des limites d’applicabilité pour les grandes longueurs de diffusion des photopiles. Solar cell’s classification by the determination of the specific values of the back surface recombination velocities in open circuit and short-circuit operating conditions [11]. Les auteurs de cet article ont fait une classification des cellules solaires en déterminant des valeurs spécifiques de la vitesse de recombinaison à la face arrière lorsque la cellule fonctionne en court-circuit et en circuit ouvert. Ils ont montré que lorsque la vitesse de recombinaison à la face arrière de la photopile est égale à ces valeurs spécifiques, l’épaisseur H n’a pas d’effet sur la réponse de la cellule. Cela permet de réduire l’épaisseur sans pour autant diminuer le rendement de la cellule solaire.