Titre : |
Effect of impurities and defects on the performance and degradation of solar cells. |
Type de document : |
texte imprimé |
Auteurs : |
SAMIRA KHELIFI |
Importance : |
151p. |
Présentation : |
ill. |
Format : |
30cm. |
Langues : |
Français (fre) |
Mots-clés : |
SOLAR CELLS - |
Résumé : |
L’industrie photovoltaïque solaire continue à être l'une des industries les plus
rapides en croissance dans le monde. La fin de l’année 2008 a enregistré une
industrie globale de 8 GW de modules photovoltaïques fabriqués.
Toute technologie avancée de cellule solaire semble susceptible d'évoluer
vers le stade où les coûts sont dominés par celles des matériaux constitutifs.
La première génération de cellules solaires ont eu des coûts de production
élevés avec un rendement modéré. La deuxième génération de cellules
solaires offrent un coût de production global beaucoup plus faible, mais leurs
rendements sont encore plus bas. Les cellules solaires de troisième
génération ont un rendement élevé et une légère augmentation des coûts de
production. Par conséquent, différents matériaux et technologies dans la
fabrication PV ont été utilisés pour tenter de réduire les coûts de fabrication.
La recherche dans le domaine des cellules solaires ne cesse d’augmenter,
afin de fabriquer des cellules solaires à rendement élevé et d'utiliser des
matériaux et des technologies peu coûteux. Dans cette thèse, une recherche
sur les defaults présents dans les cellules solaire a été realisée. Dans ce but,
des études ont été effectuées sur différents types de cellules solaires par le
moyen de caractérisation, d'analyse et de simulation numérique. Dans la
troisième génération de cellules solaires, l'effet photovoltaïque d’impureté
(PVI) a été proposé il y a quelques années comme une nouvelle approche
pour améliorer les performances des cellules solaires, particulièrement le
courant de court-circuit, en utilisant les photons d’énergie inférieure à celle
de la bande interdite, et l'extension de la réponse infrarouge. Dans cette
thèse, l'effet PVI a été réétudié dans des cellules solaires à base de silicium
possédant un niveau d'impuretés d'indium. De nouveaux résultats sont
présentés en utilisant le logiciel scaps, qui a été modifié pour cet effet, dans
un travail commun entre les deux laboratoires, ELIS (Gent, Belgique) et
LPDS (Béchar, Algérie). En outre, c’est pour la première fois à notre
xii Résumé
connaissance, que l’effet PVI a été étudié dans des matériaux à large bande
interdite (GaAs) avec plus qu'un niveau d'impureté présent dans la bande
interdite du semiconducteur. De nouveaux résultats ont été obtenus et
publiés, montrant les possibilités et aussi les limites de l'effet PVI dans ces
cellules solaires.
Au cours de ma recherche, quelques problèmes physiques ont été
sélectionnés et analysés par simulation numérique. Les cellules Ã
concentrateurs à base de GaAs offrent la possibilité de réduire le coût du
panneau solaire à l'aide de l’utilisation de puissance incidente élevée sur la
cellule. Cependant, l'utilisation de concentrateur augmente la température de
la cellule solaire, ce qui réduit son rendement si aucune mesure particulière
n'est prise en compte pour le refroidissement. Dans cette perspective, l'effet
de concentration et de la température sur le rendement des cellules solaires Ã
base de GaAs a été analysé par simulation numérique.
Les micro-cellules solaires à couches minces sont bonnes candidates pour les
sources de puissance intégrées, vues comme une nouvelle génération de
MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems). Ils ont l'avantage d'être petites
et légères, en plus, une tension de sortie élevée peut être obtenue avec des
cellules de taille de l'ordre de micromètres. C’est la raison pour laquelle, un
certain nombre de cellules solaires sont connectés en série pour obtenir la
tension élevée nécessaire. Toutefois, dans ce type de cellules (petite surface,
diode Mesa), le courant dû à la recombinaison au périmètre est très
important et peut réduire les paramètres de sortie de la cellule. Dans cette
thèse, l'effet de la recombinaison au périmètre a été étudié dans des microcellules
solaires à base de GaAs. Les calculs obtenus par le logiciel scaps ont
été modifiés pour tenir compte de l'effet de recombinaison au périmètre qui
est un effet à deux dimensions.
L'utilisation des diodes PIN à base de GaAs en application photovoltaïque a
été récemment l'objet de beaucoup de recherches, certains d'entre eux étant
en cellules solaires aux puits quantiques multiples. Des cellules solaires Ã
base de GaAs avec différentes épaisseurs de la couche intrinsèque, ont été
fabriquées à l'Institut de structure électronique et lasers de l'Université
d'Heraklion (Grèce), puis envoyées à notre Université pour caractérisation
électrique. Des analyses numériques et des mesures électriques ont été
réalisés sur ces cellules afin de trouver une corrélation entre la qualité et
l'épaisseur de la couche intrinsèque, et les performances de la cellule.
Les cellules solaires à couches minces sont attractives car elles pourraient
produire de l'électricité moins chère que dans les cellules solaires
Résumé xiii
conventionnelles à base du silicium. Les matériaux utilisés pour l’absorbeur
(ou émetteur), comme le silicium amorphe et microcristallin (a-Si, μ c-Si), le
cuivre-indium- gallium-séléniure (CIGS), et le tellurure de cadmium sont
considérés comme les premiers candidats pour les cellules solaires à couches
minces. Le défi consiste à produire des cellules solaires à couches minces
d’une manière fiable et peu coûteuse, à grande échelle et avec un rendement
décent. Certains de ces matériaux ont un avenir prometteur en terme de
rendement (c'est le cas du CIGS), tandis que d'autres sont excellent dans la
facilité de la productibilité en grande échelle (le cas du a-Si et CdTe). Par
exemple, les cellules solaires CIGS ont le rendement le plus élevé de
n'importe quelle cellule solaire à couches minces avec 20% de rendement sur
un substrat de verre, dépassant ainsi largement le rendement des panneaux
solaires commerciaux actuels, à base du silicium (η = 15 - 16%). Mais, il
reste difficile jusqu'à présent d'atteindre ce niveau de rendement dans la
production en masse des cellules.
Les cellules solaires flexibles offrent des avantages différents, en termes de
fabrication et les possibilités d’application, par rapport aux cellules solaires
sur un substrat en verre rigide, ce qui a beaucoup motivé les recherches sur
ces cellules. Toutefois, la substitution d'un substrat de verre par un matériau
alternatif conduit à la réduction des performances de la cellule, et cela dans
les deux processus de fabrication, à basse température sur les polyimides,
ainsi qu’à haute température sur des substrats métalliques. Les substrats
métalliques offrent des caractéristiques attractives par rapport à ceux en
plastique, le plus important étant qu'ils peuvent supporter les températures de
traitement élevées, nécessaires pour optimiser la qualité des matériaux CIGS.
Toutefois, la diffusion indésirable des impuretés, du substrat métallique vers
la cellule CIGS devrait être évitée ou contrôlée. Une augmentation
considérable dans les activités de recherche pour le développement et la
fabrication des cellules solaires flexibles à bases de CIGS a été observée, au
cours de ces dernières années. PVFlex Solar GmbH est une société
allemande spécialisée dans le développement et la fabrication des panneaux
solaires flexibles et légers. Dans le cadre d'un projet européen, nous avons
reçu plusieurs cellules solaires à couches minces flexibles à base de CIGS,
fabriquées sur différentes feuilles métalliques (substrats), avec ou sans
couches barrière. Ces cellules solaires à base de CIGS ont été fabriquées par
Helmholtz Zentrum Berlin (HZB; anciennement appelé Hahn Meitner
Institut, IHM). Des mesures électriques et des simulations numériques ont
été effectuées sur ces cellules afin de trouver une corrélation entre les
propriétés des composants et le traitement du substrat. Outre la
xiv Résumé
caractérisation électrique, des mesures supplémentaires ont été effectuées sur
ces cellules, telles que la caractérisation par XPS et DLTS et cela pour
déterminer la nature des défauts existants dans ces cellules, et limitants ou
pas leur performance. |
Effect of impurities and defects on the performance and degradation of solar cells. [texte imprimé] / SAMIRA KHELIFI . - [s.d.] . - 151p. : ill. ; 30cm. Langues : Français ( fre)
Mots-clés : |
SOLAR CELLS - |
Résumé : |
L’industrie photovoltaïque solaire continue à être l'une des industries les plus
rapides en croissance dans le monde. La fin de l’année 2008 a enregistré une
industrie globale de 8 GW de modules photovoltaïques fabriqués.
Toute technologie avancée de cellule solaire semble susceptible d'évoluer
vers le stade où les coûts sont dominés par celles des matériaux constitutifs.
La première génération de cellules solaires ont eu des coûts de production
élevés avec un rendement modéré. La deuxième génération de cellules
solaires offrent un coût de production global beaucoup plus faible, mais leurs
rendements sont encore plus bas. Les cellules solaires de troisième
génération ont un rendement élevé et une légère augmentation des coûts de
production. Par conséquent, différents matériaux et technologies dans la
fabrication PV ont été utilisés pour tenter de réduire les coûts de fabrication.
La recherche dans le domaine des cellules solaires ne cesse d’augmenter,
afin de fabriquer des cellules solaires à rendement élevé et d'utiliser des
matériaux et des technologies peu coûteux. Dans cette thèse, une recherche
sur les defaults présents dans les cellules solaire a été realisée. Dans ce but,
des études ont été effectuées sur différents types de cellules solaires par le
moyen de caractérisation, d'analyse et de simulation numérique. Dans la
troisième génération de cellules solaires, l'effet photovoltaïque d’impureté
(PVI) a été proposé il y a quelques années comme une nouvelle approche
pour améliorer les performances des cellules solaires, particulièrement le
courant de court-circuit, en utilisant les photons d’énergie inférieure à celle
de la bande interdite, et l'extension de la réponse infrarouge. Dans cette
thèse, l'effet PVI a été réétudié dans des cellules solaires à base de silicium
possédant un niveau d'impuretés d'indium. De nouveaux résultats sont
présentés en utilisant le logiciel scaps, qui a été modifié pour cet effet, dans
un travail commun entre les deux laboratoires, ELIS (Gent, Belgique) et
LPDS (Béchar, Algérie). En outre, c’est pour la première fois à notre
xii Résumé
connaissance, que l’effet PVI a été étudié dans des matériaux à large bande
interdite (GaAs) avec plus qu'un niveau d'impureté présent dans la bande
interdite du semiconducteur. De nouveaux résultats ont été obtenus et
publiés, montrant les possibilités et aussi les limites de l'effet PVI dans ces
cellules solaires.
Au cours de ma recherche, quelques problèmes physiques ont été
sélectionnés et analysés par simulation numérique. Les cellules Ã
concentrateurs à base de GaAs offrent la possibilité de réduire le coût du
panneau solaire à l'aide de l’utilisation de puissance incidente élevée sur la
cellule. Cependant, l'utilisation de concentrateur augmente la température de
la cellule solaire, ce qui réduit son rendement si aucune mesure particulière
n'est prise en compte pour le refroidissement. Dans cette perspective, l'effet
de concentration et de la température sur le rendement des cellules solaires Ã
base de GaAs a été analysé par simulation numérique.
Les micro-cellules solaires à couches minces sont bonnes candidates pour les
sources de puissance intégrées, vues comme une nouvelle génération de
MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems). Ils ont l'avantage d'être petites
et légères, en plus, une tension de sortie élevée peut être obtenue avec des
cellules de taille de l'ordre de micromètres. C’est la raison pour laquelle, un
certain nombre de cellules solaires sont connectés en série pour obtenir la
tension élevée nécessaire. Toutefois, dans ce type de cellules (petite surface,
diode Mesa), le courant dû à la recombinaison au périmètre est très
important et peut réduire les paramètres de sortie de la cellule. Dans cette
thèse, l'effet de la recombinaison au périmètre a été étudié dans des microcellules
solaires à base de GaAs. Les calculs obtenus par le logiciel scaps ont
été modifiés pour tenir compte de l'effet de recombinaison au périmètre qui
est un effet à deux dimensions.
L'utilisation des diodes PIN à base de GaAs en application photovoltaïque a
été récemment l'objet de beaucoup de recherches, certains d'entre eux étant
en cellules solaires aux puits quantiques multiples. Des cellules solaires Ã
base de GaAs avec différentes épaisseurs de la couche intrinsèque, ont été
fabriquées à l'Institut de structure électronique et lasers de l'Université
d'Heraklion (Grèce), puis envoyées à notre Université pour caractérisation
électrique. Des analyses numériques et des mesures électriques ont été
réalisés sur ces cellules afin de trouver une corrélation entre la qualité et
l'épaisseur de la couche intrinsèque, et les performances de la cellule.
Les cellules solaires à couches minces sont attractives car elles pourraient
produire de l'électricité moins chère que dans les cellules solaires
Résumé xiii
conventionnelles à base du silicium. Les matériaux utilisés pour l’absorbeur
(ou émetteur), comme le silicium amorphe et microcristallin (a-Si, μ c-Si), le
cuivre-indium- gallium-séléniure (CIGS), et le tellurure de cadmium sont
considérés comme les premiers candidats pour les cellules solaires à couches
minces. Le défi consiste à produire des cellules solaires à couches minces
d’une manière fiable et peu coûteuse, à grande échelle et avec un rendement
décent. Certains de ces matériaux ont un avenir prometteur en terme de
rendement (c'est le cas du CIGS), tandis que d'autres sont excellent dans la
facilité de la productibilité en grande échelle (le cas du a-Si et CdTe). Par
exemple, les cellules solaires CIGS ont le rendement le plus élevé de
n'importe quelle cellule solaire à couches minces avec 20% de rendement sur
un substrat de verre, dépassant ainsi largement le rendement des panneaux
solaires commerciaux actuels, à base du silicium (η = 15 - 16%). Mais, il
reste difficile jusqu'à présent d'atteindre ce niveau de rendement dans la
production en masse des cellules.
Les cellules solaires flexibles offrent des avantages différents, en termes de
fabrication et les possibilités d’application, par rapport aux cellules solaires
sur un substrat en verre rigide, ce qui a beaucoup motivé les recherches sur
ces cellules. Toutefois, la substitution d'un substrat de verre par un matériau
alternatif conduit à la réduction des performances de la cellule, et cela dans
les deux processus de fabrication, à basse température sur les polyimides,
ainsi qu’à haute température sur des substrats métalliques. Les substrats
métalliques offrent des caractéristiques attractives par rapport à ceux en
plastique, le plus important étant qu'ils peuvent supporter les températures de
traitement élevées, nécessaires pour optimiser la qualité des matériaux CIGS.
Toutefois, la diffusion indésirable des impuretés, du substrat métallique vers
la cellule CIGS devrait être évitée ou contrôlée. Une augmentation
considérable dans les activités de recherche pour le développement et la
fabrication des cellules solaires flexibles à bases de CIGS a été observée, au
cours de ces dernières années. PVFlex Solar GmbH est une société
allemande spécialisée dans le développement et la fabrication des panneaux
solaires flexibles et légers. Dans le cadre d'un projet européen, nous avons
reçu plusieurs cellules solaires à couches minces flexibles à base de CIGS,
fabriquées sur différentes feuilles métalliques (substrats), avec ou sans
couches barrière. Ces cellules solaires à base de CIGS ont été fabriquées par
Helmholtz Zentrum Berlin (HZB; anciennement appelé Hahn Meitner
Institut, IHM). Des mesures électriques et des simulations numériques ont
été effectuées sur ces cellules afin de trouver une corrélation entre les
propriétés des composants et le traitement du substrat. Outre la
xiv Résumé
caractérisation électrique, des mesures supplémentaires ont été effectuées sur
ces cellules, telles que la caractérisation par XPS et DLTS et cela pour
déterminer la nature des défauts existants dans ces cellules, et limitants ou
pas leur performance. |
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