Rôle et influence des effets résistives et d’ombrage et, leur amélioration dans le rendement des cellules solaires

Abstract

Le photovoltaïque représente aujourd’hui une solution alternative aux énergies non-renouvelables qui sont appelées un jour à se tarir. Il faut donc continuer à investir et améliorer ce domaine pour avoir une technologie durable, non-polluante et surtout à faible coût. Comme les cellules solaires sont la base de l’énergie photovoltaïque, leurs paramètres doivent être bien choisis avant leur élaboration. Alors, l’optimisation de ces paramètres est indispensable pour l’amélioration du rendement énergétique. L’objectif de ce travail étant d’optimiser les dimensions de la grille métallique d’une cellule conventionnelle en étudiant leurs influences sur les pertes résistives en particuliers les résistances séries et le taux d’ombrage. Pour mener à bien notre étude, on a débuté par le premier chapitre dont lequel on a fait des rappels sur l’ensoleillement, sur la source énergétique qu’est le soleil, le rayonnement solaire et les notions sur ses différentes composantes (direct, diffus, albédo, global). Ensuite, nous nous avons donné les définitions des spectres Air-mass, notamment sur le spectre solaire de référence AM1,5. Le deuxième chapitre est consacré à la physique des semi-conducteurs et tous les utiles rappels de ces matériaux comme le dopage, les structures de bandes, les densités des porteurs, les durées de vie, les propriétés électriques et optiques ainsi que d’autres notions. Viennent ensuite les définitions élémentaires et surtout ayant trait au fonctionnement de la jonction PN, élément de base des cellules photovoltaïques dans le cas où elle est polarisée (en directe où en inverse) ainsi qu’en obscurité. Par la suite, on a abordé les phénomènes de générations des porteurs et leurs recombinaisons (radiatives, RSH, Auger et en surface). On a également fait des rappels sur les courants et les expressions qui décrivent leurs comportements dans les semi-conducteurs. La cellule solaire a été traitée dans le troisième chapitre, où on a évoqué sa définition et son principe de fonctionnement. Ensuite, on a rappelé, d’une façon générale, les étapes nécessaires de fabrication de la cellule. On a décrit les caractéristiques de la cellule solaire (courant de court-circuit Icc, tension de circuit ouvert Vco, facteur de forme FF, puissance maximale Pm et rendement η) et on a rappelé les facteurs de limitation du rendement. Dans le dernier chapitre, on a exposé les relations qui décrivent les pertes résistives dans la cellule solaire : - la résistance de la base Rb, - la résistance de l’émetteur Re, - la résistance des lignes Rl, - la résistance des busbarres Rbus, - les résistances des contact avant et arrière : (Rc)av et (Rc)ar, - la résistance de la métallisation de la couche arrière (Rm)ar. Ensuite, on est passé au taux d’ombre et aux expressions puissances dissipées maximales à leur point de fonctionnement.Les calculs ont été élaborés dans le but d’optimiser les paramètres que sont la distance d et la largeur w entre les lignes et le nombre p de busbarres en faisant procédant à la variation d’une seule grandeur et en gardant les autres constants et ainsi de suite. Les résultats majeurs obtenus montrent que lorsque p croît, la résistance série diminue et le taux d’ombre augmente et par conséquent leurs pertes de puissances dissipatives ont la même allure. Ce qui permet donc de garder ce nombre égale à 2 par la suite. Par ailleurs, quand d augmente, le taux d’ombre diminue tandis la résistance série augmente. On s’attend donc à avoir une optimisation sur cette distance. Les calculs ont donné une valeur minimale de 0,25 cm pour laquelle la puissance dissipée est de l’ordre de 10%. L’étude de la largeur w entre les lignes, c’est un effet contraire à d où c’est la puissance dissipée par ombrage qui croît contrairement à celle de la résistance série. Donc on s’attend à avoir également une largeur w optimisée qui est estimée à 75 μm. En ce qui concerne la résistance carrée de l’émetteur, elle n’a d’effet que sur la résistance série qui augmente avec celle de l’émetteur. Plus cette valeur est minimale et plus les pertes résistivités sont basses. Comme perspectives de ce modeste travail, d’autres paramètres peuvent être alors optimisés et dont les effets n’ont pas été abordés ici tels que : - le dopage du semi-conducteur, - les résistivités des métaux de la face avant et arrière, - les hauteurs des métallisations avant et arrière, - la longueur l des distances à parcourir par les courants des lignes avant d’atteindre le busbarre, - le nombre de points de soudures qui collectent les courants dans les busbarres, - la largeur du busbarre, - les dimensions de la cellule, - et enfin la recherche de formes géométriques adéquates des grilles.