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CHAPITRE 3 Cellules Solaires: Principes, technologies et matériaux Abdelkader O

CHAPITRE 3 Cellules Solaires: Principes, technologies et matériaux Abdelkader OUTZOURHIT Ecole ECOMAT, Bouznika -Energie solaire absorbée par la terre (atmosphère et océans inclus): 3850000 exajoules (EJ) (1018 joules) par ans. (70% de l’énergie incidente) -- Energie primaire utilisée en 2005 487 EJ (0.0126%) - Electricité (2005): 56.7 EJ (0.0015%) Contexte General Introduction • Demande en énergie croissante • Reserve en pétrole limitées • Changement climaciques (Emission des GES) ➔ source alternative d’énergie • Terre reçoit 1376 W/m2 d’énergie solaire (absorption par l’atmosphère négligée) • L’exploitation de l’énergie solaire s’avère nécessaires (technologies matures) Contexte du Maroc - Forte dépendance énergétique -Très bon envolement moyenne: 5kWh/m2/jours Energie électrique solaire Photovoltaïque et thermodynamique resete encore non- complétive avec les sources traditionnelles ➔ R&D pour développer de nouvelles générations de cellules solaires Classification des cellules solaires • 1ere génération: – Une seule jonction à base de Silicium monocristallin (16-19% de rendement) ou poly cristallin (rendement 14-15% ) – 89.6% de la production de 2007 – approche le rendement théorique limite de 33% • 2eme génération: Couches minces CdTe 4.7% & CIGS 0.5% de la production Mondiale de 2007 • 3eme Génération: Multi-jonctions avec ou sans concentration 30 à 43% de rendement Evolution des couts d’électricité PV www.epia.org EPIA Solar Generation V Report Sept 08 Producteurs de cellules Solaires Exemple de centrale PV Waldpolenz Solar Park, Allemgane 40 megawatts, couches minces Conversion Photovoltaïque Effet photovoltaïque: Découvert par Alexandre-Edmond Becquerel en 1839 1eres cellules: fabriquées vers les années 60 • Une cellule photovoltaïque est un composant électronique, qui exposé à la lumière (photons), génère de l’électricité(courant continue). • Le courant est fonction de l’éclairement, de la composition spectrale de la lumière et de la température de la cellule. • Les processus impliqué dans la conversion photovoltaïques – Absorption de la lumière et génération de porteurs de charges libres – Séparation de ces porteurs pour éviter leur recombinaison – Collection des porteurs et passage dans un circuit externe • cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de jonctions PN (homo-jonction ou hétérojonctions) à base de semi-conducteurs Conducteurs/ Semi-conducteurs/isolants Métaux: électrons sont libres ➔ sont dans la bande de conduction CB EF=niveau de Fermi: dernier niveau rempli Ec (LUMO) EV (HOMO) VB Les deux bandes se chevauchent Ou band partiellement rempli (Eg=0) Electrons de valence complètement délocalisées ➔ ils appartient à la bande de conduction CB Bande interdite=Eg VB Band de conduction ou les électrons peuvent se déplacer librement est séparée de la BV par une bande interdite de largeur Eg. Eg < 3,5 eV: semi-conducteur Eg > 3,5 eV isolant: électrons de valence sont fortement liées ➔ appartient à la bande de valence Electrons de la BV peuvent être excités vers la BC, et laissent derrière un trou qui se déplace librement dans la BV Formation des Bandes d’énergies Aspect qualitatif Cas des solides des chaines polymères (Eg) liaison Covalente Semi-conducteurs Intrinsèques • Silicium (Si) le semi-conducteur est le plus utilisé • Il a 4 électrons de valence • Dans le cristal Si les 4 électrons sont impliqués dans des liaisons covalentes (mise en commun de 2 électrons) avec les 4 atomes avoisinant pour satisfaire la règle de l’ Octet Si Pure ( intrinsèque) trou Electrons de valences peuvent être libères par l’énergie thermique ➔ et devient libres (se trouve dans la BC) en laissant derrière un trou (aussi libre) leurs nombre augmente avec la température ➔ conductivité augmente avec la température Pour SI et GaAs: le dopage est effectué par diffusion ou implantation ionique CdTe, CIGS, CZTS: structures défectueuse, naturellement dopé type p. Dopage • Pour augmenter la concentration des porteurs libres (conductivité des semi- conducteurs) • Dans le cas de Si: introduction de petites quantités d’ éléments du group III ou VI dans le réseau de Si (substitution) électron excédentaire (libre) Electron manquant ou trou (libre) Dopage avec des éléments ayant 5 électrons valence (donneur) ➔type N Electrons: porteurs majoritaires Trous: porteurs minoritaires Dopage avec des éléments ayant 3 électrons de valence (accepteur) ➔type P Trous: porteurs majoritaires Electrons: porteurs minoritaires Autres Semi-conducteurs Matériau Eg, eV Si 1.11 Ge 0.67 GaAs 1.43 CdS 2.42 CdTe 1.48 ED Eg E C EF Eg V 0 0.5 1 no EC EF Eg EV po c p   n(p) Concentration des porteurs à l’équilibre • Electrons (BC) Trous (BV) n =   ( E ) f ( E )dE p = Ev  ( E )(1− f ( E )dE E c E  − v E EC E EV E  2m* (E)  3 / 2 f(E) n(E) p(E) 3 / 2  = 4  n  E − E  2m* p  c  h2  c v = 4    h2  Ev − E f ( E ) = exp−( E− E F ) / kT f ( E ) = exp( E−E F ) / kT  2m* kT  3/2 (cm-3) NC(V)    h2   E −E n = N exp   − C F kT    C  p = N exp   − EF −EV  kT   V = 2 BC BV d a i a g 2 2 Niveau de Fermi  − EC −EFi   − EFi −EV  ni =  NC exp   kT   = NV exp   kT  =  E  NC NV exp −   2kT  • Neutralité électrique : p + N + = n + N − Ei: niveau de Fermi intrinsèque) • Fixe la position du niveau de Fermi. Il est du coté de la bande la plus peuplée.. • A l’équilibre thermodynamique : p - n = Na - Nd (p + n)2 = (p - n)2 + 4pn = (N - N ) + 4n E a d i c • Trouver n et p.. Ei • Approximations : – SC. Type N : n≈Nd, p≈n2i/Nd – SC. Type P : p≈Na, n≈n2 /N • On utilise généralement la notation :nno et ppo, npo et pno EF EV SC type N  p = n exp   − EF −Ei  kT   i  EF −Ei  n = n exp  kT   i Transport de charge • Conduction: derive (drift), en presence d’un champ E • Diffusion: gradient de concentration Electrons trous  = qn  + qD  n (A/cm2) Jn n E n Conduction diffusion : mobilité (m2 V-1 s-1), D: cœfficient de diffusion (cm2/s) q=e=charge élémentaire=1,61019 C D = kT  q (Relation d’Einstein) n n n dx J p = qp p E − qDp p    En 1-d J = qn E + qD dn J p = qp p E − qDp dp dx Conductivité:  = q( nn + p p ) ( cm )-1 Résistivité: = ( cm )  + Equation de continuité Conservation de la charge Variation de la charge dans l’élément de volume = charge nette qui entre +la charge nette‘ générée’ Electrons J(x) x A x+dx , J(x+dx) Trous n = t 1 dJ n q dx + G − U p = − 1 t q dJ p dx + G − U n t = n d( nE ) dx + Dn d 2n dx2 + G −U p = − t p d( pE ) + D dx p d 2 p dx2 G −U G -U = Gext - n  n G -U = Gext - p  Externe (rayonnement) p = durée de vie des porteurs n Adx =  AJ( x ) − AJ( x + dx ) + ( G − U )Adx t   − q − q   p Adx =  AJ ( x ) − AJ ( x + dx ) + ( G − U )Adx t   q q   h =Eg h  Absorption/photo-génération / photoconduction • Energie lumineuse est quantifiée E=Nphh • Energie d’un photon Relie l’aspect corpusculaire à l’aspect ondulatoire. • Absorption de la lumière -Transition bande à bande (inter bande) : l’excitation des électrons de la BV vers la BC (création de paire électron trou), h  Eg EC - Transition de/vers un niveau piège - Porteurs libres (Transition intra-bande) Et Le cœfficient d’absorption  est une mesure de la probabilité pour qu’un photon soit absorbé. 1/ est la profondeur d’absorption. >Eg EV (cm-1)  coefficient d’extinction h = hc = 1.24  ( m ) ( eV )  = 4  = 4   c Transitions i BC h=Eg+Ep h=Eg-Ep E Transitions directe et indirecte Conservation de l’énergie et d’impulsion (vecteur d’onde,  =   ) • Vecteur d’onde d’un photon: k = 2 P k ≈10 m-1    • Vecteur d’onde d’un électron: ph  0  k   ➔ kph = ( k f − ki ≈104 m-1 )  0 e a uploads/Geographie/ cours-sytemes-photovoltaique-ch3.pdf