Caractérisation de cellules solaires

Caractérisation de cellules solaires
1. Structure et principe de fonctionnement d’une cellule solaire [1]
1.1 Principe de fonctionnement
Une cellule solaire est un composant électronique qui convertie la lumière du soleil en électricité. La
structure de base est présentée sur la figure 1.
Le principe de la conversion photovoltaïque peut être décrit par les mécanismes suivants :
- absorption des photons incidents et création de paires électron-trou si l’énergie du photon incident est
supérieure au gap du matériau.
- Diffusion des porteurs de charges minoritaires jusqu’à la zone de charge d’espace. Transfert des charges
électriques dans la zone où elles vont être majoritaires grâce au champ électrique présent au niveau de la
zone de charge d’espace de la jonction pn et collecte. Au cours de la diffusion des charges vers la zone de
charge d’espace les charges électriques peuvent se recombiner et être perdues.
- dissipation de puissance dans la charge et dans les résistances parasites.
Figure 1 : Structure de base d’une cellule solaire [1]
1. 2. Caractéristique I-V
La caractéristique courant–tension sous obscurité est celle d’une diode (récepteur). Sous éclairement, cette
caractéristique se décale vers les courants négatifs (figure 2), la cellule solaire peut alors jouer le rôle de
générateur de puissance.
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Figure 2 : Caractéristique I-V d’une cellule solaire [1]
Le schéma électrique équivalent de la cellule solaire est présenté ci-après. Il tient compte des résistances
série Rs et parallèle Rp (Rshunt en anglais). Le courant peut s’exprimer sous la forme :
 q ( V + IR s  V + IR s
I = I ph − Is 
−

nkT
Rp


Iph : courant photogénéré (IL sur les figures 2 et 3)
Is : courant de saturation de la diode
n : facteur d’idéalité de la diode
Figure 3 : Circuit électrique équivalent [1]
1. 3. Paramètres significatifs
Isc : Courant en court-circuit (V=0)
Voc : Tension en circuit ouvert (I=0).
FF : Facteur de forme. C’est le rapport entre la puissance maximale fournie par la cellule sur le produit
IscVoc. (figure 4).
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η : Rendement : c’est le rapport entre l’énergie fournie et la puissance lumineuse incidente. Cette mesure se
fait dans des conditions d’éclairement et de température normalisées (spectre solaire AM1.5, voir figure 5)
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Remarque AM1.5 correspond à un éclairement incident de 1kW/m environ.
η=
Pmax FF Isc Voc
=
Pinc
Pinc
Figure 4 : I(V) et P(V) [1]
Black body at 600K
AMO
AM1,5
Figure 5 : Spectre solaire [1]. AM0 : spectre solaire hors atmosphère, AM1.5 : spectre solaire après
traversée de l’atmosphère, le soleil faisant un angle de 48° environ par rapport à sa position au
zénith.
2. Mesures électriques
2.1 I(V) sous obscurité
Permet de qualifier la qualité de la jonction et d’extraire les paramètres de la diode.
Paramètres extraits : Résistances série (inverse de la pente de la courbe à forte tension) et parallèle
(inverse de la pente de la courbe autour de l’origine), facteurs d’idéalité, courants de saturation.
Cette mesure se fait avec quatre contacts afin de limiter les effets parasites des résistances des fils de
connexion.
2.2 I(V) sous éclairement
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La structure d’un simulateur solaire est présentée sur la figure 6.
Figure 6 : Simulateur solaire. [1].
On utilise en général des lampes xénon car leur spectre se rapproche de celui du soleil (figure 7).
Figure 7 : spectre solaire (AM1.5G), spectre d’une lampe halogène (ELH) et spectre d’une lampe xénon (Arc
lamp) [1].
2.3 TLM (Transmission Line Model) [2, 3]
La résistance série d’une cellule solaire est due à différentes contributions présentées sur la figure cidessous (figure8). L’émetteur et la grille métallique face avant (constituée des lignes et du bus barre)
contribuent majoritairement à cette résistance.
Figure 8 : Résistances série d’une cellule solaire [1]
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Résistance de l’émetteur
Par le calcul on peut démontrer que la contribution de l’émetteur à la résistance série est la suivante :
Re =
R sheet l 2
12L2
Rsheet : résistance de couche de l’émetteur
l = espace entre les lignes
L = côté de la cellule
Résistance de la grille face avant
Par le calcul on peut démontrer que la contribution de la grille métallique à la résistance série est la suivante
(dans le cas d’un seul bus barre) :
R gav =
ρm l
12dh
ρm : résistivité du métal
h : hauteur de la ligne métallique
d : largeur de la ligne métallique
l = espace entre les lignes
L = côté de la cellule
Résistance de contact
La résistance de contact dépend :
- Du matériau semiconducteur (silicium, arséniure de gallium, …)
- Du type de dopant (n ou p)
- Du matériau formant le contact (Ti, Ag, …)
- Du dopage au voisinage de la surface et de la surface effective du contact
Deux types de contact sont à considérer dans une cellule solaire :
- Le contact vertical : Le courant circule perpendiculairement à l’interface entre le semiconducteur et le
contact. La surface effective de contact est la surface totale de contact. Le contact arrière d’une
cellule solaire est du type vertical.
- Le contact horizontal : Le courant circule parallèlement à l’interface entre le semiconducteur et le
contact sur la majeure partie de son trajet. C’est ce qui se passe dans la couche mince diffusée
d’une cellule solaire au voisinage de la grille.
Afin d’analyser la qualité de l’interface entre les contacts et le silicium, on utilise la méthode TLM
(Transmission Line Model) qui donne accès à la résistance de contact Rc et à la résistance de couche
Rsheet.
Cette technique est basée sur la mesure de la résistance totale R entre deux plots métalliques par mesure IV. Rc et Rsheet sont calculées à partir de la courbe de R en fonction de l’espacement entre les plots L.
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a
b
c
R
l
R t ( L) = 2R c + sheet
W
d
Figure 9 : Motif TLM (a) ; Mesure de R (b); circuit électrique équivalent (c) ; R(L) (d)
La résistance de contact est donnée par la formule suivante :
 d 
R L 
R c =  sh t  coth  
 w 
 Lt 
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La résistivité de contact est donnée par l’expression :
ρc = R sheet L t
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Lt : longueur de transfert
Note : Contrairement aux autres résistivités, la résistivité de contact s’exprime en
Si d>2Lt alors :
Rc =
ρc
wL t
Dans le cas des cellules réalisées avec une grille métallique et un bus barre, la résistance de contact
est (en considérant que le courant arrive des deux côtés de chaque lignes) :
Rc =
 d 
l

R sh L t coth 
2L
 2L t 
[1] http://pveducation.org/pvcdrom
[2] D. Schröder and D. Meier, “Solar cells contact resistance : a review,” IEEE Transactions on electron
devices, vol. ED. 31, n° 5, 1984, Mai.
[3] D. Meier and D. Schröder, “Contact resistance : its measurement and relative importance to power loss in
a solar cell,” IEEE transactions on electron devices, vol. ED1, n° 5, 1984, Mai.
3. Travail à réaliser
Par groupe de 4, vous interviendrez sur le simulateur solaire pour les mesures sous éclairement et sur le
Keitley 4200 pour les mesures sous obscurité.
3.1 Simulateur solaire
1. Réaliser la mesure I-V sous éclairement des cellules solaires présentes sur la plaque réalisée au CIME.
2. A partir de la courbe sous éclairement et de la courbe de puissance, extraire: Isc, Voc, FF, Pmax et le
rendement. Commenter les résultats en fonction des différents process utilisés (avec ou sans
texturisation…).
3. Pour chaque cellule, calculer la résistance série. Pour cela utiliser la courbe « sun-Voc » qui correspond à
une mesure de la tension en circuit ouvert aux bornes de la cellule à différents éclairements. La résistance
série se calcule à partir de la formule suivante :
Rs =
Vmax sunVoc − Vmax IV
I max
Justifier cette formule.
Conclusion ?
4. Tracer la courbe sous obscurité et extraire le facteur d’idéalité et les courants de saturation de la diode
ainsi que la résistance parallèle.
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3.2 Mesures de résistance de contact (Keitley 4200)
1. Placer les pointes de façon à mesurer la résistance entre les plots 1 et 2 (SMU1 et 2 sur un plot, SMU3 et
4 sur l’autre plot).
2. Ouvrir l’onglet TLM et lancez la mesure.
Mesurer la valeur de la résistance entre ces deux plots
Répéter l’opération entre les plots 2 et 3, puis 3 et 4, etc
Une fois toutes les mesures de résistance obtenues tracer la courbe R=f(l). l étant la distance entre
les plots.
3. Calculer la valeur de la résistance de contact. Connaissant les dimensions des contacts (w=5mm)
déduire la résistivité de contact. Calculer la résistance de contact des cellules réalisées au CIME.
4. Calculer la valeur de la résistance de couche de l’émetteur. En déduire la résistance de l’émetteur des
cellules solaires réalisées au CIME.
5. Calculer la résistance de la grille face avant des cellules réalisées et comparer avec les valeurs
précédentes. Refaire le calcul avec de l’argent. Conclusion ?
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Données : Résistivité de l’aluminium : 3.10 Ohm.cm ; Résistivité de l’argent : 1,6.10 Ohm.cm
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Motifs des cellules solaires réalisées en TP salle blanche
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