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Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon 1 Oleksiy Nichipor

Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon 1 Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon 6 Chapitre I I . La cellule photovoltaïque en silicium I.1 Notions préliminaires sur le rayonnement solaire Le développement, l’optimisation et la caractérisation de cellules photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d’énergie utilisée : le soleil. La surface de celui-ci se comporte comme un corps noir à la température d’environ 5800 K. Ceci conduit à un pic d’émission situé à une longueur d’onde de 0,5 µm pour une puissance d’environ 60 MW/m², soit un total de 9,5.1025 W [3]. En tenant compte de la surface apparente du soleil et de la distance entre celui-ci et la terre, cela conduit à un éclairement moyen dans l’année de 1,36 kW/m² hors atmosphère. Cette irradiance est pondérée par divers facteurs à la surface de la terre : absorption par les molécules des différentes couches de l’atmosphère, conditions climatiques, latitude du lieu d’observation et saison. Des gaz comme l’ozone (O3), pour des longueurs d’ondes inférieures à 0,3 µm, le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O), pour les infrarouges au dessus de 2 µm, absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison, ce qui conduit à des «trous» dans le spectre solaire visible au sol. Par ailleurs, les poussières et aérosols présents dans l’atmosphère conduisent à une absorption répartie quasiment sur toute la gamme spectrale, ce qui conduit à une baisse globale de la puissance incidente. Afin de comparer et d’unifier les performances des cellules photovoltaïques élaborées dans les différents laboratoires du monde, il a été institué la notion d’Air Mass (AM). Elle quantifie la quantité de puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle θ du soleil par rapport au zénith : AM  1 cos( ) (I.1). Si le soleil est au zénith du lieu d’observation, θ=0°, AM=1 : la notation utilisée est AM1. AM0 correspond à l’irradiance hors atmosphère, et est surtout utilisée pour prédire le comportement des cellules pour applications spatiales. Le spectre standard le plus étudié est AM1.5G, G signifiant global car il tient compte à la fois des radiations directes et diffuses, par opposition à AM1.5D qui ne tient compte que des directes. AM1.5G donne une D irradiance de 970 W/m², mais a été arrondi à 1kW/m². L’intensité ID reçue à la surface de la terre peut être calculée grâce à la formule empirique suivante [3] : I  1,353  (0,7AM )0,678 (I.2) avec ID en kW/m², pour une surface perpendiculaire aux rayons incidents. Les spectres AM0 et AM1.5 sont représentés sur la figure I-1. Figure I-1 Représentation graphique des spectres AM0 et AM1.5 d’après [3]. Le domaine spectral utile aux cellules en silicium est mis en évidence. Il apparaît que la partie la plus importante du spectre solaire à la surface de la terre concerne le domaine du visible et du proche infrarouge. Les irradiances définies par le nombre AM ne tiennent toutefois pas compte de la variété des conditions climatiques, et de l’altitude du lieu. La terre présente ainsi de grandes disparités dans la répartition de la puissance solaire : les ensoleillements moyens sur l’année peuvent atteindre 7 kWh/m²/jour dans le nord de l’Australie et au Botswana. En Europe occidentale, la puissance se situe autour de 3 kWh/m²/jour pour les pays comme l’Espagne, à moins de 1 kWh/m²/jour pour le sud de la Suède. La France est soumise à une moyenne annuelle comprise entre 1,5 et 3 kWh/m²/jour selon les régions. I.2 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque L’effet photovoltaïque a été mis en évidence pour la première fois par E. Becquerel en 1839 : il découvrit que certains matériaux délivraient une petite quantité d’électricité quand ils étaient exposés à la lumière. Albert Einstein expliqua le phénomène photoélectrique en 1912, mais il fallut attendre le début des années 50 pour sa mise en application pratique dans la réalisation d’une cellule PV en silicium d’un rendement de 4,5% [4]. Nous présentons ici les mécanismes de la génération de porteurs électroniques au sein d’un semi- conducteur sous l’impact de photons. I.2.1 L’interaction photon/semiconducteur L’écart entre les bandes de valence et de conduction, ou gap, représente une caractéristique fondamentale des semiconducteurs. La figure I-2 présente les différentes transitions possibles selon la nature du gap. Quand le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence coïncident dans l’espace des k, il s’agit d’un gap direct. Les transitions inter bandes s’effectuent verticalement, et sont donc radiatives (figure I- 2 (a)). Ceci illustre le fonctionnement des semiconducteurs binaires III-V, tels que le GaAs, beaucoup utilisés en optoélectronique. Dans le cas du silicium, le gap est indirect : les transitions électroniques entre les extrema des bandes sont obliques, donc non radiatives puisqu’elles impliquent un changement du vecteur d’onde de l’électron. Les électrons du sommet de la bande de valence peuvent toutefois être directement excités vers le minimum relatif central de la bande de conduction grâce à un photon de plus grande énergie. Pour que la transition s’effectue dans le gap indirect, il faut qu’un phonon soit au préalable absorbé (ou émis) par l’électron, afin que le vecteur d’onde de ce dernier corresponde au maximum de la bande de valence, pour absorber un photon (figure I-2 (b)). Notons que la valeur du gap indirect du silicium est de 1,12 eV à 300 K (ce qui correspond à une longueur d’onde de 1107 nm), mais celle du premier gap direct vaut 3,4 eV (soit 365 nm). Figure I-2 Transitions inter-bandes d’électrons dans un semiconducteur. Le cas a) correspond à un semiconducteur à gap direct, le cas b) à un gap indirect (d’après [3]). L’interaction entre les photons et un semiconducteur se traduit par une caractéristique essentielle du matériau dans le domaine photovoltaïque : le coefficient d’absorption. Il traduit le nombre de photons absorbés par unité d’épaisseur du matériau en fonction de leur longueur d’onde. La figure I-3 nous donne celui du silicium. Nous constatons que pour des longueurs d’ondes inférieures à 365 nm, la majorité des photons incidents est absorbée dans les 100 premiers Å du matériau. Comme nous l’avons vu précédemment, ces transitions directes ne sont plus possibles pour des longueurs d’ondes plus grandes. Il faut alors qu’un phonon au moins vienne assister l’électron pour que ce dernier passe dans la bande de conduction. Ceci réduit la probabilité de transition. L’augmentation de la longueur d’onde des photons entraîne donc une diminution du coefficient d’absorption. Lorsque l’énergie du photon devient inférieure à celle du gap du matériau (à l’énergie d’un phonon près), la transition n’est plus possible et le photon n’est pas absorbé. Figure I-3 Coefficient d’absorption du silicium et profondeur de pénétration des photons en fonction de la longueur d’onde, d’après [5]. L’interaction photon/électron au sein du semiconducteur se traduit finalement par la génération d’une paire électron-trou, qui modifie localement la conductivité du matériau. Notons que nous nous situons dans un régime de faible injection, c’est à dire que la densité de porteurs photogénérés est faible devant celle des porteurs majoritaires au sein du matériau. Ainsi cet excès de porteurs est plus sensible dans le cas des porteurs minoritaires (trous dans la région dopée n et électrons dans celle dopée p). La cellule photovoltaïque se comportant comme un générateur, il s’agit à présent de séparer ces deux types de porteurs pour éviter qu’ils ne se recombinent entre eux, et de les collecter dans un circuit électrique extérieur. I.2.2 Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l'énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants :  absorption des photons (dont l'énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;  conversion de l'énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création de paires électron/trou dans le matériau semiconducteur ;  collecte des particules générées dans le dispositif. Le matériau constituant la cellule photovoltaïque doit donc posséder deux niveaux d'énergie et être assez conducteur pour permettre l'écoulement du courant : d'où l'intérêt des semiconducteurs pour l'industrie photovoltaïque. Afin de collecter les particules générées, un champ électrique permettant de dissocier les paires électron / trou créées est nécessaire. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction p-n. D'autres structures, comme les hétérojonctions et les schottky peuvent également être utilisées. Le fonctionnement des cellules photovoltaïques est illustré sur la figure I-4 : Figure I-4 Structure (image gauche) et diagramme de bande (image droite) d’une cellule photovoltaïque. Les dimensions respectives des différentes zones ne sont pas respectées. Les photons incidents créent des porteurs dans les zones n et p et dans la zone de charge d'espace. Les photoporteurs auront un comportement différent suivant la région :  dans la zone n ou p, les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge d'espace sont "envoyés" par le champ électrique dans la zone p (pour les trous) ou dans la zone n (pour les électrons) où ils seront majoritaires. On aura un photocourant uploads/Sante/ assiya-chp-2.pdf