Caractérisation de cellules solaires

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Caractérisation de cellules solaires
1. Structure et principe de fonctionnement d’une cellule solaire [1]
1.1 Principe de fonctionnement
Une cellule solaire est un composant électronique qui convertie la lumière du soleil en électricité. La
structure de base est présentée sur la figure 1.
Le principe de la conversion photovoltaïque peut être décrit par les mécanismes suivants :
- absorption des photons incidents et création de paires électron-trou si l’énergie du photon incident est
supérieure au gap du matériau.
- Diffusion des porteurs de charges minoritaires jusqu’à la zone de charge d’espace. Transfert des charges
électriques dans la zone où elles vont être majoritaires grâce au champ électrique présent au niveau de la
zone de charge d’espace de la jonction pn et collecte. Au cours de la diffusion des charges vers la zone de
charge d’espace les charges électriques peuvent se recombiner et être perdues.
- dissipation de puissance dans la charge et dans les résistances parasites.
Figure 1 : Structure de base d’une cellule solaire [1]
1. 2. Caractéristique I-V
La caractéristique courant–tension sous obscurité est celle d’une diode (récepteur). Sous éclairement, cette
caractéristique se décale vers les courants négatifs (figure 2), la cellule solaire peut alors jouer le rôle de
générateur de puissance.

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Figure 2 : Caractéristique I-V d’une cellule solaire [1]
Le schéma électrique équivalent de la cellule solaire est présenté ci-après. Il tient compte des résistances
série Rs et parallèle Rp (R
shunt
en anglais). Le courant peut s’exprimer sous la forme :
p
ss
sph
R
IR
V
nkT
IR
V
(
q
III
+
−
+
−=
I
ph
: courant photogénéré (I
L
sur les figures 2 et 3)
I
s
: courant de saturation de la diode
n : facteur d’idéalité de la diode
Figure 3 : Circuit électrique équivalent [1]
1. 3. Paramètres significatifs
Isc : Courant en court-circuit (V=0)
Voc : Tension en circuit ouvert (I=0).
FF : Facteur de forme. C’est le rapport entre la puissance maximale fournie par la cellule sur le produit
IscVoc. (figure 4).

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η
ηη
η : Rendement : c’est le rapport entre l’énergie fournie et la puissance lumineuse incidente. Cette mesure se
fait dans des conditions d’éclairement et de température normalisées (spectre solaire AM1.5, voir figure 5)
Remarque AM1.5 correspond à un éclairement incident de 1kW/m
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environ.
Figure 4 : I(V) et P(V) [1]
Figure 5 : Spectre solaire [1]. AM0 : spectre solaire hors atmosphère, AM1.5 : spectre solaire après
traversée de l’atmosphère, le soleil faisant un angle de 48° environ par rapport à sa position au
zénith.
2. Mesures électriques
2.1 I(V) sous obscurité
Permet de qualifier la qualité de la jonction et d’extraire les paramètres de la diode.
Paramètres extraits : Résistances série (inverse de la pente de la courbe à forte tension) et parallèle
(inverse de la pente de la courbe autour de l’origine), facteurs d’idéalité, courants de saturation.
Cette mesure se fait avec quatre contacts afin de limiter les effets parasites des résistances des fils de
connexion.
2.2 I(V) sous éclairement
inc
ocsc
inc
max
PVIFF P
P==η
Black body at 600K
AMO
AM1,5
Black body at 600K
AMO
AM1,5

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La structure d’un simulateur solaire est présentée sur la figure 6.
Figure 6 : Simulateur solaire. [1].
On utilise en général des lampes xénon car leur spectre se rapproche de celui du soleil (figure 7).
Figure 7 : spectre solaire (AM1.5G), spectre d’une lampe halogène (ELH) et spectre d’une lampe xénon (Arc
lamp) [1].
2.3 TLM (Transmission Line Model) [2, 3]
La résistance série d’une cellule solaire est due à différentes contributions présentées sur la figure ci-
dessous (figure8). L’émetteur et la grille métallique face avant (constituée des lignes et du bus barre)
contribuent majoritairement à cette résistance.
Figure 8 : Résistances série d’une cellule solaire [1]

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Résistance de l’émetteur
Par le calcul on peut démontrer que la contribution de l’émetteur à la résistance série est la suivante :
2
2
sheet
e
L
12
lR
R=
Rsheet : résistance de couche de l’émetteur
l = espace entre les lignes
L = côté de la cellule
Résistance de la grille face avant
Par le calcul on peut démontrer que la contribution de la grille métallique à la résistance série est la suivante
(dans le cas d’un seul bus barre) :
dh
12
l
R
m
gav
ρ
=
ρ
m
: résistivité du métal
h : hauteur de la ligne métallique
d : largeur de la ligne métallique
l = espace entre les lignes
L = côté de la cellule
Résistance de contact
La résistance de contact dépend :
- Du matériau semiconducteur (silicium, arséniure de gallium, …)
- Du type de dopant (n ou p)
- Du matériau formant le contact (Ti, Ag, …)
- Du dopage au voisinage de la surface et de la surface effective du contact
Deux types de contact sont à considérer dans une cellule solaire :
- Le contact vertical : Le courant circule perpendiculairement à l’interface entre le semiconducteur et le
contact. La surface effective de contact est la surface totale de contact. Le contact arrière d’une
cellule solaire est du type vertical.
- Le contact horizontal : Le courant circule parallèlement à l’interface entre le semiconducteur et le
contact sur la majeure partie de son trajet. C’est ce qui se passe dans la couche mince diffusée
d’une cellule solaire au voisinage de la grille.
Afin d’analyser la qualité de l’interface entre les contacts et le silicium, on utilise la méthode TLM
(Transmission Line Model) qui donne accès à la résistance de contact Rc et à la résistance de couche
Rsheet.
Cette technique est basée sur la mesure de la résistance totale R entre deux plots métalliques par mesure I-
V. Rc et Rsheet sont calculées à partir de la courbe de R en fonction de l’espacement entre les plots L.