Optimisation des paramètres photovoltaïques de cellules solaires bifaciales au silicium à base de type N et leur comparaison avec celles de type P

Abstract

En pratique, la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique n’est pas totale. Différentes pertes viennent influencer le rendement d’une cellule. Elles sont dans la plupart des cas dues à la nature des matériaux et à la technologie utilisée. Tous les photons possédant une longueur d’onde supérieure à celle associée au gap du semi-conducteur ne peuvent générer de paires électron-trou, et sont donc perdus. Le rendement d’une cellule dépend aussi du nombre de photons pénétrant dans le matériau. Quelle que soit la structure d’une cellule solaire, une optimisation de ses paramètres est nécessaire pour avoir un rendement optimal. Habituellement, les paramètres à optimiser d’une cellule peuvent être en général géométriques, électriques et optiques tels que dans le désordre l’épaisseur de la cellule, le dopage des régions, les vitesses de recombinaison des faces avant et arrière, la durée de vie des porteurs du substrat, les couches antireflet, etc.... 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 surface (faces avant et arrière), etc… L’optimisation de la cellule solaire comprend donc l’étude de l’influence de ses paramètres sur le rendement afin d’obtenir une structure conduisant au rendement maximum. Dans un premier temps, nous avons rappelé dans le premier chapitre quelques notions de base sur l’ensoleillement et la composante du spectre solaire, la notion de masse d’air et aussi la zone utile du spectre solaire pour le silicium. Dans un second temps, nous avons donné dans le deuxième chapitre, les notions fondamentales des semi-conducteurs, nous décrirons sur la jonction p-n à l’équilibre thermodynamique et la jonction avec polarisation directe et indirecte et les différents types de recombinaison dans le semi-conducteur qui peuvent altérer le rendement. Ensuite, nous avons abordé le fonctionnement d’une cellule solaire, son modèle équivalent électrique et ses caractéristiques principales. Enfin, nous avons décrit les différentes pertes limitant le rendement. Dans le troisième chapitre, nous avons présenté la cellule bifaciale, sa structure et son étude théorique de la physique de la cellule bifaciale. Dans le dernier chapitre, nous avons étudié l’effet de quelques grandeurs de la cellule solaire biface au silicium monocristallin (N+/P/P+) à émetteur de type N+, de substrat de type P et d’une couche de type P+ sur la face arrière (BSF) et dont les paramètres utilisés sont tirés de la littérature d’un article sur le sujet datant de 2013. Pour cela, nous avons utilisé le logiciel d’analyse numérique unidimensionnel PC1D pour déterminer les paramètres de cette cellule. La première partie a concerné la validation des résultats obtenus en comparaison avec ceux trouvés pour la cellule prise comme référence. Les paramètres concernés que sont le courant de court- circuit de la cellule Icc pour les deux faces (front et arrière), leurs tensions de circuit ouvert Vco, leurs facteurs de forme FF et enfin leurs rendements énergétiques Ƞ ont été évalués en fonction du dopage de l’émetteur (de 2,87.1018 cm-3 à 2,87.1021 cm-3). Nous avons constaté que ces résultats trouvés sont en totale concordance avec ceux de l’article. Selon ces 78 calculs, nous avons retenu la valeur de 2,87.1020 cm-3 pour dopage de l’émetteur (pour la cellule N+/P/P+) qui donne à peu près les meilleures performances du rendement pour les deux faces. Nous nous sommes intéressés par la suite à l’optimisation des paramètres (Icc, Vco, FF et Ƞ) de la cellule en fonction la variation d’autres paramètres tels que :  l’épaisseur de la cellule (de 50 μm à 500 μm),  la durée de vie des porteurs dans le substrat (10 μs et 1000 μs),  le dopage de la couche arrière (1016 cm-3 et 1020 cm-3)  et finalement les vitesses de recombinaison des faces avant et arrière (de 102 cm/s à 106 cm/s).