Effect of Impurities and Defects on Performance and Degradation of Solar Cells

Abstract

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 à 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 à 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 à 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.