Simulation par Excel d’une cellule solaire conventionnelle en Silicium

Abstract

Quelle que soit la structure d’une cellule solaire, une optimisation de ses paramètres est nécessaire pour avoir un bon rendement. Habituellement, les paramètres à optimiser sont l’épaisseur de la cellule, les niveaux et les profils de dopage, la configuration des contacts et le confinement optique. Les valeurs des paramètres optimaux dépendent, bien sûr, de la structure de la cellule solaire, de la qualité du matériau, des vitesses de recombinaison en volume et en surface (faces avant et arrière), etc. L’optimisation de la cellule solaire comprend donc l’étude de l’influence de ces paramètres sur le rendement afin d’obtenir une structure conduisant au rendement maximum. Dans ce travail, nous avons rappelé en premier lieu dans le chapitre I les notions de base sur l’ensoleillement et la composante de son spectre solaire (direct, diffus, albédo et global). Les masses d’air hors atmosphère AM0 et celle de référence AM1.5 y sont présentées. Nous avons, par la suite donnée les pourcentages de la zone utile de ce spectre par rapport au matériau silicium. L’inconvénient majeur des cellules photovoltaïques est donc lié à leur rendement. En effet, seule une partie du rayonnement incident peut être convertie en électricité, de plus les radiations non converties échauffent le panneau ce qui réduit encore le rendement. Le chapitre II est consacré à la physique des cellules solaires où nous avons retracé en détail les notions des semi-conducteurs (intrinsèques et dopés). Puis vient la loi de Beer-Lambert et son application à l’absorption de photons dans le matériau par rapport au flux du spectre solaire incident et par conséquent la génération des paires électron-trou. Cette définition nécessite l’introduction du coefficient d’absorption α, lui-même fonction de l’indice optique d’extinction k. le second paramètre optique qu’est l’indice de réfraction n nous permet de déterminer selon l’équation les liant, le coefficient de réflexion, utile dans les calculs ultérieurs lorsqu’on prend en considération ce phénomène optique. Les recombinaisons, radiatives et non radiatives, dues majoritairement aux défauts profonds et par conséquent néfastes pour la conversion photovoltaïque, sont aussi mentionnées et leur lien direct avec les durées de vie des porteurs photo-générés, paramètres importants à minimiser au maximum. Pour la physique nécessaire aux cellules photovoltaïques, les équations de base régissant le phénomène de transport des porteurs (courants de conduction et de diffusion, équations de continuité et de poisson) trouvent une part importante dans ce chapitre. La jonction PN, base de la cellule solaire simple et toutes ses notions, tant qu’en régime d’équilibre comme sous polarisation direct et inverse et sa caractéristique J(V) fonction du courant de saturation, y est par la suite développée. Dans le chapitre III, vient la notion de la cellule solaire simple dont la physique repose sur la jonction PN. Lorsque la cellule est éclairée par le spectre solaire, les densités des photo-courants de chaque région sont obtenues à partir de la résolution analytique, à une dimension et en régime permanent, des équations citées plus haut par rapport aux conditions aux limites de la géométrie de la cellule La définition de réponse spectrale, qui nous renseigne précisément sur le rendement de la cellule, y est aussi donnée. Les caractéristiques J(v) de la cellule, sous obscurité, polarisée ou sous éclairement sont également énoncées. Ce qui permet de décrire les 4 paramètres essentiels de la cellule (Le courant de court-circuit Jcc, La tension de circuit ouvert Voc, Le facteur de forme FF et le rendement η). La cellule idéale, sur laquelle nous avons établie nos calculs est aussi comparée à la cellule réelle. Les procédés technologiques de la fabrication complètent ce chapitre. Quant au dernier chapitre IV, nous avons exposé les résultats obtenus après calculs effectués par Excel. En premier lieu, nous avons tracé l’allure du spectre solaire AM 1.5 par rapport au spectre AM0, calculé leur constante solaire ainsi que leur pourcentage dans les trois domaines spectraux: UV (Ultra-Violet), visible et IR (Infrarouge). Après, nous avons calculé le flux de photons correspondant à chaque longueur d’onde du spectre de référence AM1.5. Puis nous avons tracé le coefficient d’absorption du silicium et la répartition du flux de photons cumulé en fonction de la longueur d’onde. Ceux-ci montrent que 81% des photons se situent entre 0,3 et 0,95 μm. À partir du photo-courant total dû à la contribution des 3 régions de la cellule de la contribution, le courant Jcc de la cellule simple au silicium est extrait de la sommation de ce courant sur tout le spectre solaire AM1.5 jusqu’au gap du silicium. La valeur de 35,5 mA/cm2 est concordante avec celle de la littérature dans les mêmes conditions. Les courbes de réponses spectrales nous donnent des indications précises de la contribution de chaque région et celles qui sont appelées à être améliorées. A titre d’exemple d’optimisation, une rapide étude de la variation de l’épaisseur de l’émetteur montre que celle-ci doit être la plus optimale possible. Il a été montré que xj est de l’ordre 0,0125 μm où on observe une nette amélioration de l’absorption dans le front de la cellule. Enfin, nous estimons que ce modeste travail ferait l’objet à l’avenir d’une poursuite de cette étude afin d’explorer au maximum les possibilités de la cellule solaire conventionnelle en optimisant par Excel tous ses paramètres.