Etude Comparative Des Cellules Solaires SHJ

Abstract

Le principal but des recherches effectuées dans le domaine des énergies renouvelables est d’atteindre de hauts rendements tout en diminuant le coût de fabrication. Les cellules solaires à hétérojonctions de silicium (SHJ) combinent le haut rendement du silicium cristallin et le faible coût de la technologie du silicium amorphe. Dans ce mémoire nous nous intéressons à l’optimisation des cellules solaires SHJ sur substrat n et sur substrat p puis à la comparaison entre la performance des deux types de cellules. Dans le premier chapitre, nous avons présenté des généralités sur l’énergie solaire photovoltaïque à savoir : le rayonnement et le spectre solaire, puis la notion d’air masse AM qui tient compte de la position relative du soleil, puis nous avons défini les conditions STC nécessaires à la détermination du rendement en puissance des cellules solaires. Nous avons ensuite décrit le principe de conversion photovoltaïque qui est basé sur l’effet photoélectrique. Nous avons enfin clôturé ce chapitre en répertoriant les différentes filières photovoltaïques qui sont reparties en quatre grandes familles : le silicium cristallin, le silicium amorphe hydrogéné, les couches minces et les matériaux organiques. Dans le deuxième chapitre, nous avons rappelé les propriétés des semi-conducteurs qui sont à la base de l’élaboration des photopiles, puis nous avons décrit les différents phénomènes physiques qui gouvernent les jonctions pn. Le modèle d’Anderson qui permet de mettre en évidence les discontinuités de bandes au niveau des hétérojonctions a été décrit. Nous avons parlé des principales caractéristiques du silicium cristallin et le silicium amorphe hydrogéné ainsi que leur procédé de fabrication. Nous avons expliqué le rôle de chaque couche constituant les cellules SHJ. Le chapitre suivant a été entièrement consacré à la modélisation des cellules solaires. Nous avons d’abord expliqué les phénomènes qui interviennent dans la cellule solaire SHJ à l’aide d’un modèle mathématique équivalent qui permet de trouver les paramètres PV définissant toutes les cellules solaires. Nous avons par la suite détaillé les équations de transport dans les semi-conducteurs : l’équation de Poisson, les équations de continuité des électrons et des trous qui sont utilisées et résolues par tous les logiciels de simulation existants. Nous avons d’ailleurs présenté brièvement le logiciel SCAPS que nous avons choisi d’utiliser pour réaliser nos simulations. Dans le dernier chapitre, nous avons présenté les résultats obtenus et nous avons montré que pour optimiser les cellules SHJ de type n, il était nécessaire d’augmenter le dopage du bulk pour augmenter le champ électrique au niveau de l’interface p-a-Si :H/n-c-Si et de diminuer la densité de dopage de l’émetteur qui dégrade ce type de matériau. L’épaisseur de l’émetteur doit être la plus fine possible afin de diminuer le taux de recombinaison et d’améliorer la qualité de la cellule. Nous avons constaté le même comportement pour les cellules SHJ de type p concernant le dopage de la couche active (p-c-Si), ainsi que pour l’épaisseur de l’émetteur. Cependant, lorsque le dopage de l’émetteur augmente jusqu’à ND=10 cm augmente jusqu’à 19.27%, puis diminue pour des densités de dopage supérieures à 10

Nous avons également déduit que le rendement de conversion des cellules SHJ de type p est meilleur par rapport à celles de type n ( 25,22% pour type p et 22,35% pour type n), ces résultats sont principalement associés à la réponse spectrale des cellule SHJ de type p ( 0,65 pour λ=300nm) qui est meilleure par rapport à l’autre type de cellule (0,59 pour λ=300nm). Comme perspectives, il serait intéressant d’étudier l’apport d’une couche tampon intrinsèque disposée entre l’émetteur et la couche active, obtenant ainsi une cellule HIT et sa comparaison avec une cellule SHJ. Il serait également nécessaire d’optimiser la couche BSF et de voir l’influence de son épaisseur et son dopage sur la caractéristique J=f(V) de la même cellule. Une étude sur le choix du matériau pour constituer le TCO serait également intéressante.