Energie photovoltaïque. Filière Physique des Composants Nanostructurés. PHELMA Septembre 2010

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1 Energie photovoltaïque Filière Physique des Composants Nanostructurés PHELMA Septembre 2010 Anne Kaminski 1, Mathieu Monville 2 1 INP Grenoble - INSA Lyon 2 Solarforce 1

2 PLAN DU COURS 1- Panorama de l énergie mondiale, contribution et intérêt de l énergie photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire. 2- Conversion photon électron, convertisseur PV idéal. Physique des cellules PV, calcul de la réponse spectrale, du courant photogénéré, du rendement. Paramètres caractéristiques. Pertes. 3-Cellules de 1 ère génération * Elaboration et caractérisation du silicium * Aspects technologiques et physiques des cellules de première génération 4- Cellules de 2ème et 3 ème génération * Cellules en couches minces en silicium, matériaux II-VI et organiques * Nouveaux concepts pour augmenter l absorption du rayonnement solaire et atteindre des hauts rendements. 2

3 Comment fonctionne une cellule photovoltaïque? 1.Energie incidente: soleil 2.Matériau convertisseur: semi-conducteur Silicium, Germanium, Arséniure de Gallium Propriétés d absorption de la lumière Propriétés de conduction électrique - Dopage Bande interdite compatible avec le spectre solaire 3.Collecte du courant photogénéré Diode (jonction p-n) Caractéristique du générateur électrique «photopile solaire» 4.Source de pertes dans le rendement de transduction

4 Introduction : Spectre solaire Air Masse : AM=1/cos θ AM0 : hors atmosphère AM1.5 : correspondant aux latitudes des «pays tempérés» P(AM1.5G) ~ 1 kw/m² E photon (ev) = 1,24 / λ (µm) Energie moyenne : 0,8 < E < 3,2 ev Source : Kaminski & Fave, 2010

5 5

6 Introduction : notion de rendement limite 6

7 Rappel : fonctionnement des matériaux semiconducteurs Réseau cristallin (cubique faces centrées) Si GaAs

8 Rappel : fonctionnement des matériaux semiconducteurs Schéma 2D des liaisons tétrahédriques Si Si Si Si Si Chaque Si donne 1 électron à chaque liaison 4 liaisons covalentes : très forte cohésion

9 Si Colonne IV de la classification des éléments Chaque Si possède 4 électrons périphériques sur la couche externe: Ces électrons sont peu liés au noyau Comme tous les atomes tendent à avoir 8 électrons sur leur couche externe, on observe la formation de liaisons covalentes lors de la formation d un cristal de silicium. 2 électrons Dans le silicium, chaque atome «voit» 8 électrons, ce qui confère une forte cohésion au cristal. Si Si Les électrons de «co-valence» (ou de valence) assurent la cohésion de la structure cristalline et sont donc très peu mobile. Si Si Le silicium intrinsèque est donc un très mauvais conducteur car il ne possède pas ou peu d électrons «non liés» donc mobiles. Si Si Si Si Si

10 Bande de Valence / Bande de conduction Lorsque l on fournit une énergie supérieure à un seuil, appelé gap, à ces électrons, on casse les liaisons qui les retiennent à la bande valence. Ces électrons deviennent libres de circuler dans une nouvelle bande d énergie appelée bande de conduction dans laquelle ils peuvent conduire l électricité à travers le matériau

11 Matériaux éligibles : Semiconducteur : Silicium Cristallin (ou multicristallin) Technologie industrielle majoritaire Amorphe Semiconducteurs III-V GaAs, InP, InAsP, etc. Semiconducteur II-VI, I-III-VI CIS (CuInSe), CIGS (CuInGaSe), CdTe Semiconducteurs organiques

12 Absorption du rayonnement par les matériaux semi-conducteurs : Matériau Gap (ev) InSb 0,2 InAs 0,4 Ge 0,6 CIS 1,06 c-si 1,12 GaAs 1,43 CdTe 1,44 a-si 1,72 AlAs 2,2 GaP 2,35 CdS 2,42 E photon (ev) = / λ (nm) Le coefficient d absorption permet de déterminer la profondeur de pénétration du rayonnement et l épaisseur de matériau nécessaire. Il est lié à l énergie de bande interdite (gap).

13 Il faudra beaucoup plus de silicium pour absorber la même quantité de rayonnement Intensité de la lumière à la profondeur x : I=I o exp(-αx)

14 Dopage : Cas du silicium Afin d augmenter la conductivité des matériaux semiconducteurs, on peut rajouter des charges (électrons ou trous) qui vont «doper» la conduction : on parle de dopage. Des atomes de Phosphore ou de Bore se substitue aux atomes de Silicium III IV V B C N Al Si P Ga Ge As

15 Principe de fonctionnement d une cellule : E photon > E gap Grâce à l absorption des photons les électrons passent de la bande de Valence vers la bande de Conduction (du semi-conducteur de type N). Ils en sont extraits et collectés grâce à un contact, délivrés vers une charge, puis reviennent vers la bande de Valence (du semi-conducteur de type P) grâce à un autre contact.

16 Afin de pouvoir collecter les porteurs générés, on créée un champ électrique en mettant en contact deux semi-conducteurs de types différents. C est la jonction p-n. + trous introduits lors du dopage - Électrons introduits lors du dopage Les électrons et les trous diffusent vers les zones où ils sont les moins concentrés laissant derrière eux les ions dopants sans leur charge. Il y a apparition d un champ électrique qui lorsqu il est assez grand s oppose au passage des porteurs.

17 Jonction polarisée en inverse : On augmente l épaisseur de la zone désertée, La diode est bloquée. Jonction polarisée en direct : On diminue la largeur de la zone désertée, le champ électrique diminue jusqu à ce que la diode soit passante.

18 Principe de fonctionnement d une cellule (schématisation de la jonction p-n) : Une fois la paire électron-trou créée, il va falloir la «collecter» en évitant les pertes par recombinaison. Les porteurs minoritaires photogénérés sont les vecteurs de l énergie électrique délivrée par la cellule.

19 Sources de pertes dans les cellules PV : Absorption incomplète des photons Excès d énergie Réflexion à la surface Recombinaisons électroniques Effets de piégeages Résistances séries Résistances parallèles

20 Influence de l énergie de bande interdite (gap), rendement spectral : Rendement max. simplifié (AM1.5G) : E photon (ev) = / λ (nm) λ (nm) Cas du silicium

21 Pertes par réflexion : R 2 I air I RI TI θ TRI Silicium: 30 à 40% réflexion Texturation de surface: 10 à 20% de réflexion Utilisation d une couche antireflet: Nitrure de Silicium (couleur bleue des cellules) On joue sur l épaisseur et l indice de réflexion (loi de Descartes) Il faut améliorer la transmission dans le Si (mais sans absorption dans la CAR*!!!) *CAR : Couche Anti-Reflet Texturation par voie humide (KOH ou NaOH ou Acide), Texturation par gravure Plasma

22 Recombinaisons électroniques (1): à la surface Recombinaisons A LA SURFACE Concentration d impuretés plus élevée Liaisons pendantes (dangling bonds) Solution «Passivation» des défauts de surface à l aide d une «Couche Anti-Reflet Nitrure de Silicium particulièrement efficace (SiN a remplacé TiO 2 dans les années s)

23 Pertes à la surface (bilan) : Combinaison: texturation + couche antireflets Texturisation TMAH* Développée à L INL R eff =41% R eff =13% CAR en SiN R eff =2.7% Source : Kaminski & Fave, 2009 *TMAH : Tetra Methyl Ammonium Hydroxyl

24 Recombinaisons électroniques (2): en volume Recombinaisons EN VOLUME Impuretés Joints de grain pour le multicristallin Recombinaison Auger Solutions Diffusion d Hydrogène Traitement haute température (effet «getter») Création d un «Back Surface Field» (BSF)

25 Notion de «Back Surface Field» Rôle primordial pour éviter les recombinaisons en face arrière S f S eff S b p+ Confinement des électrons p e - ψ p Limitation recombinaisons face arrière n+ Emetteur Base BSF E F -Amélioration Réponse Spectrale grandes λ - Amélioration Rs W b W BSF Fabrication Technologie classique: recuit contacts Aluminium face arrière Technologie couches minces: dopage Bore (p++) par diffusion thermique 25

26 Effet de piégage par les impuretés au cœur du matériau (trapping) : Exemple des taux d impuretés maximaux acceptables avant dégradation des performances d une cellule silicium dopé p. NIVEAU D ENERGIE INTERMEDIAIRE DE L IMPURETE : LE PIEGEAGE PAR L IMPURETE EST FAVORISE 26

27 Cas des joints de grain dans le Si polycristallin : Plaquette de Silicium polycristallin Joints de grain, imperfections locales du cristal, liaisons pendantes, présence de précipités d impuretés Zones de recombinaisons Alain FAVE, Anne KAMINSKI

28 Résistance série : Alain FAVE, Anne KAMINSKI Contacts métalliques / busbars Les contacts métalliques sont nécessaires pour collecter le courant photogénéré. Les busbars sont directement reliés à la charge externe, alors que les «doigts», plus fins, collectent le courant et le délivre vers les busbars. Le point clé dans le design de cette grille réside dans le compromis entre une faible résistance série et une surface de contact la plus réduite possible (notion d effet d ombrage).

29 Influence de la température et influence de l éclairement (effet d ombrage): U (V) U (V) I (A) I (A) d après Markvart,

30 Courbe caractéristique du composant cellule solaire : Equations de la diode idéale à la «photopile» Equation caractéristique idéale d une cellule dans le noir (caractéristique d une diode): Où V ja, tension appliquée au récepteur Equation caractéristique idéale d une cellule illuminée : Où I Lt est l intensité aux bornes de la cellule sous le flux lumineux (Lt pour Light) Equation caractéristique réelle d une cellule illuminée (modèle standard dit «à deux diodes») : Les paramètres β 1 et β 2, lesquels varient entre 1 et 2, et les résistances R s (résistance série) et R p (résistance parallèle dite «shunt») rendent comptent des processus de pertes.

31 Schéma électrique équivalent d une cellule solaire : R s : Résistance série Résistivité des matériaux, Résistivité des fils, Contact métal-semiconducteur R p ou R Sh : Résistance parallèle: courants de fuite dans la jonction j Lt : courant photogénéré i 01, β 1, i 02, β 2 : paramètres de la diode

32 Bilan : Schéma récapitulatif de l incidence des limitations physiques et des processus de pertes sur le comportement électronique d une photopile : adapté de Markvart, 1994 Courbe caractéristique I(V) dans le cas d une cellule solaire silicium (E g =1,12eV) de surface unitaire (1cm 2 ) et recevant une puissance lumineuse de 100mW

33 33

34 Précision de l effet des résistances «série» :

35 Précision de l effet des résistances parallèles (effet de Court-circuit, Shunt) :

36 Courbe caractéristique du composant cellule solaire : Quelques paramètres utiles η: rendement V co : tension de circuit ouvert I cc : courant de court-circuit FF: facteur de forme P m : puissance max générée V m : tension max I m : courant max P inc :puissance lumineuse incidente η = P m = P inc FF I P cc inc V co I I cc V V co P m m m FF = P inc = 100 mw / cm² En production : Si mono η= % ; Si multi η = % En laboratoire : Si mono η = 24.7 % ; Si multi η = 19 %

37 Sources de pertes au sein de la cellule PV (hors pertes par réflexion) : les recombinaisons, bilan schématique On définit la durée de vie Ƭ comme la durée d existence des porteurs minoritaires générés avant qu ils ne se recombinent. Une durée de vie des porteurs minoritaires élevée indique une plus grande probabilité de collecte, et donc de courant généré par le dispositif in fine.

38 Sources de pertes au sein de la cellule PV (hors pertes par réflexion) : les recombinaisons et leur impact sur la «durée de vie» des porteurs minoritaires Grandeurs caractéristiques des performances intrinsèques du matériau : durée de vie / longueur de diffusion Durée de vie avant recombinaison Distance moyenne parcourue avant recombinaison Elles dépendent: des défauts (en surface et en volume) des impuretés (métalliques ) du dopage

39 En résumé, la conversion lumière électricité nécessite : 1 2 3

40 Photopile Silicium standard : cm 2 40

41 Optimisation de la cellule: recherche des meilleurs compromis métallisation Si n + SiN (couche antireflet) Si p métallisation Dopage de l émetteur: Contact métal-semiconducteur: dopage élevé Faible taux de recombinaison: dopage faible

42 Optimisation de la cellule: recherche des meilleurs compromis métallisation Si n + SiN (couche antireflet) Si p métallisation Dopage de la base: Faible résistance série: dopage élevé Faible taux de recombinaison: dopage faible

43 Optimisation de la cellule: recherche des meilleurs compromis métallisation Si n + SiN (couche antireflet) Si p métallisation Résistance des contacts: Faible résistance série: surface de contact importante Faible réflexion face avant: surface de contact faible Bonne passivation de surface: limiter l aire de contact

44 Optimisation de la cellule: recherche des meilleurs compromis

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