Cellule photovoltaïque silicium

La cellule photovoltaïque silicium
Structure simplifiée d’une cellule photovoltaïque silicium :
I
Busbar
Contacts
V
Émetteur < 1 µm
type n
Base ≈ 250 µm
type p
Contacts
Courbe I(V) et schéma électrique équivalent :
I
I
ICC
RS
IM
0
I ph
VM
VCO
Id
V

 q(V + IRS )   V + IRS
I = I ph − I S  exp
 − 1 −
Rp
 nkT
 

Paramètres caractéristiques :
Courant de court-circuit : ICC / Tension de circuit ouvert : VCO
Maximum de puissance disponible : PM = VMIM
RP
V
VM I M
FF
=
Facteur de forme : FF :
VCO I CC
FFVCO I CC
VM I M
=
Rendement de conversion : η : η =
Pincidente
Pincidente
Rendement quantique et réponse spectrale
Les paramètres précédents caractérisent les performances globales de la cellule. Pour tenir
compte de la répartition en longueur d’onde du rayonnement incident, on introduit la notion
de rendement quantique.
Rendement quantique externe : EQE (External Quantum Efficiency) : rapport entre le nombre
de porteurs collectés et le nombre de photons incidents :
nb de porteurs collectés
EQE =
nb de photons incidents
Rendement quantique interne : IQE (Internal Quantum Efficiency) : prise en compte des
pertes optiques (réflectivité de surface) :
IQE =
EQE
1− R
Photocourant généré dans la cellule :
J ph (λ ) = qN (λ )(1 − R(λ ))× IQE(λ )
J ph = J ph (λ )dλ
∫λ
Le cœfficient d’absorption du silicium est fonction de la longueur d’onde du rayonnement
incident : les photons de faible longueur d’onde sont absorbés près de la surface, tandis que
les photons de grande longueur d’onde sont absorbés plus profondément dans la cellule.
Ainsi, la connaissance du rendement quantique permet de déterminer l’efficacité de chaque
région constitutive de la cellule photovoltaïque.
Expérimentalement, pour calculer le rendement quantique d’une cellule, on mesure la réponse
spectrale de la cellule.
Réponse spectrale : SR (Spectral Response) : rapport entre le courant généré par la cellule et
la puissance incidente pour chaque longueur d’onde :
SR =
I (λ )
Pincidente (λ )
=
I (λ )
φ (λ ) ⋅ S urface
Rendement quantique et réponse spectrale sont liés par la relation :
SR =
qλ
EQE
hc
Principales pertes dans la cellule photovoltaïque :
•
Pertes fondamentales :
- Photons de grande longueur d’onde : λ > λgap
- Energie excédentaire des photons
- Facteur de tension : rapport entre VCO et tension de gap
- Facteur de forme : FF : équation courant tension exponentielle : FFmax = 0,89
•
Pertes technologiques :
- Réflectivité : coefficient de réflexion R
- Taux d’ombre
- Rendement d’absorption : épaisseur limitée de la cellule
nb porteurs collectés
- Rendement de collecte : η collecte =
: recombinaisons
nb porteurs photogénérés
- Pertes électriques : résistances série et parallèle
Recombinaisons en volume et en surface :
Le phénomène de recombinaison est l’inverse du phénomène de génération : perte d’une paire
électron – trou avec restitution de l’énergie soit sous forme de photons (recombinaison
radiative), soit sous forme de phonons (recombinaison Auger, Shockley-Read-Hall (SRH)).
Les recombinaisons dans la cellule se produisent en volume et au niveau des surfaces avant et
arrière.
En régime de faible injection (régime de fonctionnement classique d’une cellule
photovoltaïque), la durée de vie des porteurs minoritaires est déterminée par les
recombinaisons Shockley-Read-Hall : défauts et impuretés présents dans le matériau
conduisent à l’apparition de niveaux d’énergie qui vont se comporter comme des centres de
recombinaison dans la bande interdite.
En surface, la rupture de périodicité du réseau (liaisons pendantes) conduit à la création de
niveaux dans la bande interdite et donc à la création de centres de recombinaison.
Durée de vie des porteurs minoritaires τ et taux de recombinaison en volume U sont liés par la
relation :
τn =
∆n
∆p
τ
=
p
Un ;
Up
En surface, la densité de défauts d’interface se traduit par une densité de porteurs
photogénérés inférieure en surface à la densité en volume. Ce gradient de concentration donne
naissance à un courant de diffusion j :
jn , p = ± qDn , p
d∆n, p
dx
avec : Dn,p : coefficient de diffusion des porteurs minoritaires ; le signe de j est fonction de
l’orientation de l’axe normal à la surface.
On peut également exprimer ce courant de diffusion en fonction de la densité de porteurs
excédentaires en surface et leur vitesse, soit :
j = q∆n.S n
soit : S = ±
D n d∆n
∆n dx
S est appelée vitesse de recombinaison en surface.
On définit le taux de recombinaison en surface : Usurf : U surf = S n ⋅ ∆n
Différents processus de recombinaison se déroulent en parallèle en surface et en volume du
silicium. Pour les caractériser, on introduit le taux de recombinaison effectif Ueff :
U eff = U radiatif + U Auger + U SRH + U surf − av + U surf − arr
Expérimentalement, on mesure la durée de vie effective : τeff :
1
τ eff
•
=
1
τ bulk
+
1
τ surfaces
avec
1
τ bulk
=
1
τ radiatif
+
1
τ Auger
+
1
τ SRH
Solutions technologiques :
Pertes optiques : Texturisation de la surface.
Dépôt d’une couche anti-reflet (CAR).
Pertes par recombinaison : Passivation des surfaces : matériau passivant, BSF, FSF.
Passivation en volume : hydrogénation, gettering.
Texturation de la surface : développer en surface du silicium un relief micrométrique (5 –
10 µm) permettant des réflexions multiples et donc une augmentation de la probabilité
d’absorption des photons.
En face arrière, la texturisation favorise le piégeage de la lumière dans la cellule.
Couche anti-reflet : insertion entre le silicium et le milieu extérieur d’une couche mince
appelée couche anti-reflet dont le rôle est d’adapter l’indice optique entre le milieu extérieur
(n0 : air ou polymère EVA1 si la cellule est encapsulée) et le silicium (nSi) à la longueur
d’onde de 600 nm (cette dernière est proche du maximum d’émission solaire tout en assurant
une bonne profondeur de pénétration des photons dans le silicium).
En considérant les phénomènes d’interférences destructives entre les ondes réfléchies, les
paramètres de la couche anti-reflet doivent vérifier :
- Indice optique : nCAR : n CAR = n 0 n Si
- Epaisseur : dCAR : d CAR =
1
EVA : Ethylène Vinyle Acétate
(2m + 1)λ
4 ⋅ n CAR
Passivation de volume : améliorer les qualités électroniques du matériau (durée de vie des
porteurs minoritaires, longueur de diffusion) en neutralisant les effets des défauts
électriquement actifs.
- Silicium monocristallin : la longueur de diffusion des porteurs est généralement supérieure à
l’épaisseur de la cellule : les recombinaisons en surface sont donc prépondérantes.
- Silicium multi cristallin : les recombinaisons en volume sont prépondérantes du fait d’une
longueur de diffusion des porteurs inférieure à l’épaisseur de la cellule.
Une méthode de passivation du volume du silicium : hydrogénation du matériau : l’hydrogène
très réactif, peut se lier facilement avec les défauts et impuretés présents dans le silicium : il
comble les liaisons pendantes et neutralise leur effet. Industriellement, la passivation en
volume est généralement réalisée par diffusion d’hydrogène à partir d’une couche d’un
matériau hydrogéné : dépôt d’une couche de nitrure de silicium hydrogéné SiN:H suivi d’un
recuit (recuit qui sert par ailleurs à la réalisation des contacts, alors que la couche de nitrure
joue par ailleurs le rôle de couche anti-reflet).
Passivation de surface : diminuer la vitesse de recombinaison en surface par dépôt d’un
matériau en couche mince : nitrure de silicium hydrogéné SiN:H, oxyde de silicium SiO2,
oxynitrure SiON:H, silicium amorphe hydrogéné a-Si:H, carbure de silicium hydrogéné aSiC:H.
2 approches pour diminuer la vitesse de recombinaison en surface :
- diminuer le taux de recombinaison en surface
- modifier les concentrations de porteurs
Passivation des liaisons pendantes : l’hydrogène (ou l’oxygène) présent dans le matériau
déposé en surface assure la réduction de la densité de défauts d’interface ce qui diminue le
taux de recombinaison en surface : passivation par neutralisation des états d’interface.
Création de champs électriques (ex. : BSF) : formation d’une zone déplétée ou d’une zone
d’accumulation suivant le type de semi-conducteur considéré qui permet de modifier
localement la concentration d’un type de porteur : passivation par effet de champ.