Téléchargez la présentation

Séminaire interdisciplinaire résidentiel, FUNDP, 26-28 janvier 2011
Sur le piégeage de la lumière (ou comment
améliorer l’efficacité des cellules solaires ?)
Dr Ir Olivier Deparis
Chargé de Cours
Département de Physique
Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix

L’effet photovoltaïque
• Phénomène quantique: absorption d’un photon (h>Eg) dans la zone intrinsèque 
génération d’une paire électron-trou (exciton)
• Sous l’action du champ électrique interne (Ejunction) injection de porteurs de charges
dans les zones net pcourant (photo)électrique dans le sens bloquant de la diode
junction
E
e-
Iph
h+
R
h
Eg(eV)
h>Eg
pi n
h+
-+
junction
E
-+

L’absorption efficace de la lumière nécessite une
épaisseur de couche qui dépend du matériau
• L’absorption complète de la lumière solaire dans le silicium cristallin (Eg~1.12eV @
300K) nécessite une épaisseur de matériau de l’ordre de 500 microns
• Une large fraction de la lumière est perdue par transmission lorsque l’épaisseur de
matériau diminue en deçà de 10 microns
d
e
II
T
0iknn
~
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Transmission
Wavelength (nm)
Crystalline silicon
d=500μm
d=200μm
d=100μm
d=10μm
d=1μm
d=0.2μm
I0I
d
k
4
: coefficient d’absorption
ñ: indice de réfraction complexe
<
g[c-Si]

En couches minces, le silicium amorphe offre une
plus grande absorption que le silicium cristallin
• Dans le silicium cristallin, la création d’un exciton nécessite l’intervention d’un phonon
(bande interdite indirecte)
• Dans le silicium amorphe, l’absence d’ordre cristallin à longue portée permet de se passer
du phonon de sorte que l’absorption y est plus efficace (« bande interdite » directe)
1,1
1,7
Amorphe
(a-Si)
Cristallin
(c_Si)
Eg (eV)Silicium (Si)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Transmission
Wavelength (nm)
d=200 nm
crystalline silicon
amorphous silicon
g[c-Si]
g[a-Si]
g
gc
hE

Les problèmes optiques à résoudre dans
les cellules solaires en couches minces
1. Les diverses interfaces réduisent la quantité de lumière atteignant la couche active
(pertes optiques par réflexion)
2. La faible épaisseur de la couche active (~200 nm) ne permet pas l’absorption complète
de la lumière en un seul passage (pertes optiques par transmission)
Couche de protection (verre)
Couche d’oxyde conducteur (TCO)
Couche active (a-Si)
Parties non représentées:
• couches ultrafines de silicium amorphe dopé n ou p (jonction p-i-n)
• contacts métalliques
•substrat
Schéma très simplifié
de cellule solaire en
couches minces