Caraérisaion de ellules solaires 1. Sruure e prinipe de fonionnemen d une ellule solaire [1] 1.1 Prinipe de fonionnemen Une ellule solaire es un omposan éleronique qui onverie la lumière du soleil en éleriié. La sruure de base es présenée sur la figure 1. Le prinipe de la onversion phoovolaïque peu êre déri par les méanismes suivans : - absorpion des phoons inidens e réaion de paires éleron-rou si l énergie du phoon iniden es supérieure au gap du maériau. - Diffusion des poreurs de harges minoriaires jusqu à la zone de harge d espae. Transfer des harges éleriques dans la zone où elles von êre majoriaires grâe au hamp élerique présen au niveau de la zone de harge d espae de la jonion pn e ollee. Au ours de la diffusion des harges vers la zone de harge d espae les harges éleriques peuven se reombiner e êre perdues. - dissipaion de puissane dans la harge e dans les résisanes parasies. Figure 1 : Sruure de base d une ellule solaire [1] 1. 2. Caraérisique I-V La araérisique ouran ension sous obsurié es elle d une diode (réepeur). Sous élairemen, ee araérisique se déale vers les ourans négaifs (figure 2), la ellule solaire peu alors jouer le rôle de généraeur de puissane. 1
Figure 2 : Caraérisique I-V d une ellule solaire [1] Le shéma élerique équivalen de la ellule solaire es présené i-après. Il ien ompe des résisanes série s e parallèle p ( shun en anglais). Le ouran peu s exprimer sous la forme : I I ph I s q(v + I nkt s V + I p s I ph : ouran phoogénéré (I L sur les figures 2 e 3) I s : ouran de sauraion de la diode n : faeur d idéalié de la diode Figure 3 : Cirui élerique équivalen [1] 1. 3. Paramères signifiaifs Is : Couran en our-irui (V0) Vo : Tension en irui ouver (I0). FF : Faeur de forme. C es le rappor enre la puissane maximale fournie par la ellule sur le produi IsVo. (figure 4). 2
η : endemen : es le rappor enre l énergie fournie e la puissane lumineuse inidene. Cee mesure se fai dans des ondiions d élairemen e de empéraure normalisées (spere solaire AM1.5, voir figure 5) emarque AM1.5 orrespond à un élairemen iniden de 1kW/m 2 environ. η P P max in FFI P s in V o Figure 4 : I(V) e P(V) [1] Blak body a 600K AMO AM1,5 Figure 5 : Spere solaire [1]. AM0 : spere solaire hors amosphère, AM1.5 : spere solaire après raversée de l amosphère, le soleil faisan un angle de 48 environ par rappor à sa posiion au zénih. 2. Mesures éleriques 2.1 I(V) sous obsurié Perme de qualifier la qualié de la jonion e d exraire les paramères de la diode. Paramères exrais : ésisanes série (inverse de la pene de la ourbe à fore ension) e parallèle (inverse de la pene de la ourbe auour de l origine), faeurs d idéalié, ourans de sauraion. Cee mesure se fai ave quare onas afin de limier les effes parasies des résisanes des fils de onnexion. 2.2 I(V) sous élairemen 3
La sruure d un simulaeur solaire es présenée sur la figure 6. Figure 6 : Simulaeur solaire. [1]. On uilise en général des lampes xénon ar leur spere se rapprohe de elui du soleil (figure 7). Figure 7 : spere solaire (AM1.5G), spere d une lampe halogène (ELH) e spere d une lampe xénon (Ar lamp) [1]. 2.3 TLM (Transmission Line Model) [2, 3] La résisane série d une ellule solaire es due à différenes onribuions présenées sur la figure idessous (figure8). L émeeur e la grille méallique fae avan (onsiuée des lignes e du bus barre) onribuen majoriairemen à ee résisane. Figure 8 : ésisanes série d une ellule solaire [1] 4
ésisane de l émeeur Par le alul on peu démonrer que la onribuion de l émeeur à la résisane série es la suivane : 2 sheel 2 e 12L shee : résisane de ouhe de l émeeur l espae enre les lignes L ôé de la ellule ésisane de la grille fae avan Par le alul on peu démonrer que la onribuion de la grille méallique à la résisane série es la suivane (dans le as d un seul bus barre) : ρ m l gav 12dh ρ m : résisivié du méal h : haueur de la ligne méallique d : largeur de la ligne méallique l espae enre les lignes L ôé de la ellule ésisane de ona La résisane de ona dépend : - Du maériau semiondueur (siliium, arséniure de gallium, ) - Du ype de dopan (n ou p) - Du maériau forman le ona (Ti, Ag, ) - Du dopage au voisinage de la surfae e de la surfae effeive du ona Deux ypes de ona son à onsidérer dans une ellule solaire : - Le ona verial : Le ouran irule perpendiulairemen à l inerfae enre le semiondueur e le ona. La surfae effeive de ona es la surfae oale de ona. Le ona arrière d une ellule solaire es du ype verial. - Le ona horizonal : Le ouran irule parallèlemen à l inerfae enre le semiondueur e le ona sur la majeure parie de son raje. C es e qui se passe dans la ouhe mine diffusée d une ellule solaire au voisinage de la grille. Afin d analyser la qualié de l inerfae enre les onas e le siliium, on uilise la méhode TLM (Transmission Line Model) qui donne aès à la résisane de ona e à la résisane de ouhe shee. Cee ehnique es basée sur la mesure de la résisane oale enre deux plos méalliques par mesure I- V. e shee son alulées à parir de la ourbe de en fonion de l espaemen enre les plos L. 5
6 a b d Figure 9 : Moif TLM (a) ; Mesure de (b); irui élerique équivalen () ; (L) (d) La résisane de ona es donnée par la formule suivane : sh L d oh w L W l 2 (L) shee +
La résisivié de ona es donnée par l expression : ρ shee L 2 L : longueur de ransfer Noe : Conrairemen aux aures résisiviés, la résisivié de ona s exprime en Si d>2l alors : ρ wl Dans le as des ellules réalisées ave une grille méallique e un bus barre, la résisane de ona es (en onsidéran que le ouran arrive des deux ôés de haque lignes) : l 2L sh L oh d 2L [1] hp://pveduaion.org/pvdrom [2] D. Shröder and D. Meier, Solar ells ona resisane : a review, IEEE Transaions on eleron devies, vol. ED. 31, n 5, 1984, Mai. [3] D. Meier and D. Shröder, Cona resisane : is measuremen and relaive imporane o power loss in a solar ell, IEEE ransaions on eleron devies, vol. ED1, n 5, 1984, Mai. 3. Travail à réaliser Par groupe de 4, vous inerviendrez sur le simulaeur solaire pour les mesures sous élairemen e sur le Keiley 4200 pour les mesures sous obsurié. 3.1 Simulaeur solaire 1. éaliser la mesure I-V sous élairemen des ellules solaires présenes sur la plaque réalisée au CIME. 2. A parir de la ourbe sous élairemen e de la ourbe de puissane, exraire: Is, Vo, FF, Pmax e le rendemen. Commener les résulas en fonion des différens proess uilisés (ave ou sans exurisaion ). 3. Pour haque ellule, aluler la résisane série. Pour ela uiliser la ourbe «sun-vo» qui orrespond à une mesure de la ension en irui ouver aux bornes de la ellule à différens élairemens. La résisane série se alule à parir de la formule suivane : s V max sunvo I max V max IV Jusifier ee formule. Conlusion? 4. Traer la ourbe sous obsurié e exraire le faeur d idéalié e les ourans de sauraion de la diode ainsi que la résisane parallèle. 7
3.2 Mesures de résisane de ona (Keiley 4200) 1. Plaer les poines de façon à mesurer la résisane enre les plos 1 e 2 (SMU1 e 2 sur un plo, SMU3 e 4 sur l aure plo). 2. Ouvrir l ongle TLM e lanez la mesure. Mesurer la valeur de la résisane enre es deux plos épéer l opéraion enre les plos 2 e 3, puis 3 e 4, e Une fois oues les mesures de résisane obenues raer la ourbe f(l). l éan la disane enre les plos. 3. Caluler la valeur de la résisane de ona. Connaissan les dimensions des onas (w5mm) déduire la résisivié de ona. Caluler la résisane de ona des ellules réalisées au CIME. 4. Caluler la valeur de la résisane de ouhe de l émeeur. En déduire la résisane de l émeeur des ellules solaires réalisées au CIME. 5. Caluler la résisane de la grille fae avan des ellules réalisées e omparer ave les valeurs préédenes. efaire le alul ave de l argen. Conlusion? Données : ésisivié de l aluminium : 3.10-6 Ohm.m ; ésisivié de l argen : 1,6.10-6 Ohm.m 8
Moifs des ellules solaires réalisées en TP salle blanhe 9