le composant cellule solaire

Transcription

Energie photovoltaïque
Filière Physique des Composants Nanostructurés
PHELMA – Septembre 2010
Anne Kaminski1, Mathieu Monville2
1INP
Grenoble - INSA Lyon
2 Solarforce
1
PLAN DU COURS
1- Panorama de l’énergie mondiale, contribution et intérêt de l’énergie
photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire.
2- Conversion photon – électron, convertisseur PV idéal. Physique des
cellules PV, calcul de la réponse spectrale, du courant photogénéré, du
rendement. Paramètres caractéristiques. Pertes.
3-Cellules de 1ère génération
* Elaboration et caractérisation du silicium
* Aspects technologiques et physiques des cellules de première
génération
4- Cellules de 2ème et 3ème génération
* Cellules en couches minces en silicium, matériaux II-VI et organiques
* Nouveaux concepts pour augmenter l’absorption du rayonnement solaire
et atteindre des hauts rendements.
2
LE COMPOSANT CELLULE SOLAIRE
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?
1.Energie incidente: soleil
2.Matériau convertisseur: semi-conducteur
z
z
z
z
Silicium, Germanium, Arséniure de Gallium…
Propriétés d’absorption de la lumière
Propriétés de conduction électrique - Dopage
Bande interdite compatible avec le spectre solaire
3.Collecte du courant photogénéré
z
z
Diode (jonction p-n)
Caractéristique du générateur électrique « photopile solaire »
4.Source de pertes dans le rendement de transduction
Introduction : Spectre solaire

Air Masse : AM=1/cos θ
z
z
¾
AM0 : hors atmosphère
AM1.5 : correspondant aux latitudes des
« pays tempérés »
P(AM1.5G) ~ 1 kW/m²
Ephoton (eV) = 1,24 / λ (µm)

Energie moyenne :
z
0,8 < E < 3,2 eV
Source : Kaminski & Fave, 2010
5
Introduction : notion de rendement limite
6
Rappel : fonctionnement des matériaux
semiconducteurs

Réseau cristallin (cubique faces centrées)
Si
GaAs
Rappel : fonctionnement des matériaux
semiconducteurs

Schéma 2D des liaisons tétrahédriques
Si
Si
Chaque Si donne 1 électron à chaque liaison
Si
Ø
4 liaisons covalentes : très forte cohésion
Si
Si
Colonne IV de la classification des éléments
Si
Chaque Si possède 4 électrons périphériques sur la couche
externe: Ces électrons sont peu liés au noyau
Comme tous les atomes tendent à avoir 8 électrons sur leur couche externe,
on observe la formation de liaisons covalentes lors de la formation d’un
cristal de silicium.
2 électrons
Dans le silicium, chaque atome
« voit » 8 électrons, ce qui confère une
forte cohésion au cristal.
Les électrons de « co-valence » (ou de valence)
assurent la cohésion de la structure
cristalline et sont donc très peu mobile.
Le silicium intrinsèque est donc un très
mauvais conducteur car il ne possède
pas ou peu d’électrons « non liés » donc mobiles.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
z
Bande de Valence / Bande de conduction
Lorsque l’on fournit une énergie supérieure à un seuil,
appelé gap, à ces électrons, on casse les liaisons qui les
retiennent à la bande valence. Ces électrons deviennent
libres de circuler dans une nouvelle bande d’énergie
appelée bande de conduction dans laquelle ils peuvent
conduire l’électricité à travers le matériau
Matériaux éligibles :

Semiconducteur : Silicium
z
Cristallin (ou multicristallin)
Technologie industrielle majoritaire
z

Semiconducteurs III-V
z

GaAs, InP, InAsP, …etc.
Semiconducteur II-VI, I-III-VI
z

Amorphe
CIS (CuInSe), CIGS (CuInGaSe), CdTe
Semiconducteurs organiques
Absorption du rayonnement par les matériaux
semi-conducteurs :
Matériau Gap (eV)
InSb
0,2
InAs
0,4
Ge
0,6
CIS
1,06
c-Si
1,12
GaAs
1,43
CdTe
1,44
a-Si
1,72
AlAs
2,2
GaP
2,35
CdS
2,42
Ephoton (eV) = 1 240 / λ (nm)
Le coefficient d’absorption permet de déterminer la profondeur de pénétration du
rayonnement et l’épaisseur de matériau nécessaire. Il est lié à l’énergie de bande
interdite (gap).
Il faudra beaucoup plus de
silicium pour absorber la même
quantité de rayonnement
Intensité de la lumière à la
profondeur x :
I=Ioexp(-αx)
Dopage :
Cas du silicium
Afin d’augmenter la conductivité des
matériaux semiconducteurs , on peut rajouter
des charges (électrons ou trous) qui vont
« doper » la conduction : on parle de dopage.
Des atomes de Phosphore ou de Bore se
substitue aux atomes de Silicium
III
IV
V
B
C
N
Al
Si
P
Ga
Ge
As
Principe de fonctionnement d’une cellule :
Ephoton > Egap
Grâce à l’absorption des photons les électrons passent de la bande de Valence vers
la bande de Conduction (du semi-conducteur de type N). Ils en sont extraits et
collectés grâce à un contact, délivrés vers une charge, puis reviennent vers la
bande de Valence (du semi-conducteur de type P) grâce à un autre contact.
Afin de pouvoir collecter les porteurs générés, on créée un champ électrique
en mettant en contact deux semi-conducteurs de types différents.
C’est la jonction p-n.
+ trous introduits lors du dopage
- Électrons introduits lors du dopage
¾Les électrons et les trous diffusent
vers les zones où ils sont les moins
concentrés laissant derrière eux les
ions dopants sans leur charge.
¾Il y a apparition d’un champ
électrique qui lorsqu’il est assez grand
s’oppose au passage des porteurs.
Jonction polarisée en inverse :
On augmente l’épaisseur de la zone désertée,
La diode est bloquée.
Jonction polarisée en direct :
On diminue la largeur de la zone désertée, le
champ électrique diminue jusqu’à ce que la
diode soit passante.
Principe de fonctionnement d’une cellule
(schématisation de la jonction p-n) :
Une fois la paire électron-trou créée, il va falloir la « collecter » en évitant les pertes par recombinaison.
Les porteurs minoritaires photogénérés sont les vecteurs de l’énergie électrique délivrée par la cellule.
Sources de pertes dans les cellules PV :

Absorption incomplète des photons
Excès d’énergie
Réflexion à la surface
Recombinaisons électroniques
Effets de piégeages
Résistances séries
Résistances parallèles
Influence de l’énergie de bande interdite (gap),
rendement spectral :

Rendement max. simplifié
(AM1.5G) :
Ephoton (eV) = 1 240 / λ (nm)
λ (nm)
Cas du silicium
Pertes par réflexion :
R2I
air
I
RI
θ
TRI
TI
Texturation de surface: 10 à 20% de réflexion
Silicium: 30 à 40% réflexion
Utilisation d’une couche antireflet:
Nitrure de Silicium
(couleur bleue des cellules)
On joue sur l’épaisseur et l’indice de
réflexion (loi de Descartes)
Il faut améliorer la transmission dans le Si
(mais sans absorption dans la CAR*!!!)
*CAR : Couche Anti-Reflet
Texturation par voie humide (KOH ou NaOH ou Acide),
Texturation par gravure Plasma
Recombinaisons électroniques (1): à la surface

Recombinaisons A LA SURFACE
z
z

Concentration d’impuretés plus élevée
Liaisons pendantes
(dangling bonds)
Solution
z
z
« Passivation » des défauts de surface à l’aide d’une « Couche
Anti-Reflet
Nitrure de Silicium particulièrement efficace (SiN a remplacé
TiO2 dans les années 90-95’s)
Pertes à la surface (bilan) :

Combinaison: texturation + couche antireflets

Source : Kaminski & Fave, 2009
*TMAH : Tetra Methyl Ammonium Hydroxyl
Texturisation TMAH*
z Développée à L’INL
z Reff=41% Î Reff=13%
CAR en SiN
z Reff=2.7%
Recombinaisons électroniques (2): en volume

Recombinaisons EN VOLUME
z
z
z

Impuretés
Joints de grain pour le multicristallin
Recombinaison Auger
Solutions
z
z
z
Diffusion d’Hydrogène
Traitement haute température (effet « getter »)
Création d’un « Back Surface Field » (BSF)
Notion de « Back Surface Field »

Rôle primordial pour éviter les recombinaisons en face arrière
Sf
Confinement des électrons
Sb
Seff
p+
p
n+
ψp
eBSF
EF
Emetteur
Base
Wb

WBSF
Limitation recombinaisons
face arrière
-Amélioration Réponse
Spectrale grandes λ
- Amélioration Rs
Fabrication
z
z
Technologie classique: recuit contacts Aluminium face arrière
Technologie couches minces: dopage Bore (p++) par diffusion
thermique
25
Effet de piégage par les impuretés
au cœur du matériau (trapping) :

Exemple des taux
d’impuretés maximaux
acceptables avant
dégradation des
performances d’une
cellule silicium dopé p.
NIVEAU D’ENERGIE INTERMEDIAIRE DE L’IMPURETE :
LE PIEGEAGE PAR L’IMPURETE EST FAVORISE
26
Cas des joints de grain dans le Si polycristallin :
Plaquette de Silicium
polycristallin
Joints de grain,
imperfections locales du
cristal, liaisons pendantes,
présence de précipités
d’impuretés
Zones de recombinaisons
Alain FAVE, Anne KAMINSKI
Résistance série :
Alain FAVE, Anne KAMINSKI

Contacts métalliques / busbars
Les contacts métalliques sont nécessaires
pour collecter le courant
photogénéré. Les busbars sont directement reliés à la charge externe, alors
que les « doigts », plus fins, collectent le courant et le délivre vers les busbars.
Le point clé dans le design de cette grille réside dans le compromis entre une
faible résistance série et une surface de contact la plus réduite possible (notion
d’effet d’ombrage).
Influence de la température et influence de
l’éclairement (effet d’ombrage):
U (V)
U (V)
I (A)
I (A)
d’après Markvart, 1994
29
Courbe caractéristique du composant cellule solaire :
Equations – de la diode idéale à la « photopile »
Equation caractéristique idéale d’une cellule dans le noir (caractéristique d’une diode):
Où Vja, tension appliquée au récepteur
Equation caractéristique idéale d’une cellule illuminée :
Où ILt est l’intensité aux bornes de la cellule sous le flux lumineux (Lt pour Light)
Equation caractéristique réelle d’une cellule illuminée (modèle standard dit « à deux diodes ») :
Les paramètres β1 et β2, lesquels varient entre 1 et 2, et les résistances Rs (résistance série) et Rp (résistance parallèle
dite « shunt ») rendent comptent des processus de pertes.
Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire :

Rs: Résistance série
z Résistivité des matériaux,
z Résistivité des fils,
z Contact métal-semiconducteur
Rp ou RSh : Résistance parallèle: courants de fuite dans la jonction
jLt: courant photogénéré
i01, β1, i02, β2 : paramètres de la diode
Bilan :
Schéma récapitulatif de l’incidence
des limitations physiques et des
processus
de
pertes
sur
le
comportement électronique d’une
photopile :
adapté de Markvart, 1994
Courbe caractéristique I(V) dans le
cas d’une cellule solaire silicium
(Eg=1,12eV) de surface unitaire
(1cm2) et recevant une puissance
lumineuse de 100mW
33
Précision de l’effet des résistances « série » :
Précision de l’effet des résistances parallèles
(effet de Court-circuit, Shunt) :
Courbe caractéristique du composant cellule solaire :
Quelques paramètres utiles
η: rendement
Vco: tension de circuit ouvert
Icc: courant de court-circuit
FF: facteur de forme
Pm: puissance max générée
Vm: tension max
Im: courant max
Pinc:puissance lumineuse incidente
Pm FF I cc Vco
η=
=
Pinc
Pinc
Pm
I m Vm
FF =
Icc Vco
En production : Si mono η= 16-18 %
En laboratoire : Si mono η = 24.7 %
Pinc = 100 mW / cm²
Si multi η = 14-16 %
;
;
Si multi η = 19 %
Sources de pertes au sein de la cellule PV
(hors pertes par réflexion) : les recombinaisons,
bilan schématique
On définit la durée de vie Ƭ comme la durée d’existence des porteurs
minoritaires générés avant qu’ils ne se recombinent. Une durée de vie des
porteurs minoritaires élevée indique une plus grande probabilité
de collecte, et donc de courant généré par le dispositif in fine.
Sources de pertes au sein de la cellule PV
(hors pertes par réflexion) : les recombinaisons et
leur impact sur la « durée de vie » des porteurs
minoritaires

Grandeurs caractéristiques des performances
intrinsèques du matériau :
durée de vie / longueur de diffusion
z
z

Durée de vie avant recombinaison
Distance moyenne parcourue avant recombinaison
Elles dépendent:
z
z
z
des défauts (en surface et en volume)
des impuretés (métalliques…)
du dopage
En résumé,
la conversion lumière – électricité nécessite :
1
2
3
Photopile Silicium standard :
cm2
40
Optimisation de la cellule:
recherche des meilleurs compromis
métallisation
SiN (couche
antireflet)
Si n+
Si p
métallisation
Dopage de l’émetteur:
Contact métal-semiconducteur: dopage élevé
Faible taux de recombinaison: dopage faible
métallisation
SiN (couche
antireflet)
Si n+
Si p
métallisation
Dopage de la base:
Faible résistance série: dopage élevé
Faible taux de recombinaison: dopage faible
métallisation
SiN (couche
antireflet)
Si n+
Si p
métallisation
Résistance des contacts:
Faible résistance série: surface de contact importante
Faible réflexion face avant: surface de contact faible
Bonne passivation de surface: limiter l’aire de contact