Technologie de cellule photovoltaïque à jonctions multiples
Une cellule photovoltaïque à jonctions multiples est une cellule solaire à jonctions pn multiples de différents matériaux semi-conducteurs. Chaque jonction pn de chaque matériau produit un courant électrique en réponse à une longueur d’onde de lumière différente. Une cellule simple produit un courant électrique d’une seule longueur d’onde dans le spectre de la lumière solaire. Une cellule solaire à cellules à jonctions multiples produira un courant électrique à plusieurs longueurs d’onde de lumière, ce qui augmentera l’efficacité de la conversion d’énergie de la lumière solaire en énergie électrique utilisable.
Les cellules traditionnelles à union unique ont une efficacité théorique maximale de 33,16%.Théoriquement, un nombre infini de joints aurait une efficacité limite de 86,8% sous une lumière solaire fortement concentrée.
Actuellement, les meilleurs exemples de laboratoire de cellules solaires au silicium cristallin traditionnelles ont une efficacité comprise entre 20% et 25%, tandis que les exemples de laboratoire de cellules à jonctions multiples ont montré un rendement supérieur à 46% sous lumière solaire concentrée. Les exemples commerciaux de cellules en tandem sont largement disponibles à 30% sous éclairage avec un seul soleil et s’améliorent à environ 40% avec la lumière solaire concentrée.Cependant, cette efficacité est obtenue aux dépens d’une plus grande complexité et d’un prix de fabrication plus élevé. À ce jour, son prix plus élevé et son rapport prix / performance plus élevé ont limité son utilisation à des fonctions spéciales, en particulier dans le secteur aérospatial, où son rapport puissance / poids élevé est souhaitable. Dans les applications terrestres, ces cellules solaires émergent dans les concentrateurs photovoltaïques (CPV), avec un nombre croissant d’installations dans le monde.
Les techniques de fabrication en tandem ont été utilisées pour améliorer les performances des conceptions existantes. En particulier, la technique peut être appliquée à des cellules solaires à couches minces peu coûteuses utilisant du silicium amorphe, contrairement au silicium cristallin classique, pour produire une cellule avec un rendement d’environ 10%, léger et flexible. Cette approche a été utilisée par plusieurs fournisseurs commerciaux, mais ces produits sont actuellement limités à certains rôles de niche, tels que les matériaux de couverture.
Les cellules mono-union traditionnelles ont un rendement théorique maximal de 34%. Dans un nombre théoriquement infini de joints, l’efficacité des cellules à jonctions multiples serait de 87% sous une lumière solaire fortement concentrée.
Actuellement, les meilleurs exemples de laboratoire de cellules solaires au silicium traditionnelles ont un rendement d’environ 25%, tandis que les exemples de cellules multi-jonctions en laboratoire ont montré des performances supérieures à 43%.
La description
Cellules à jonctions multiples
Les cellules fabriquées à partir de plusieurs couches de matériaux peuvent avoir plusieurs bandes interdites et répondent donc à de multiples longueurs d’onde de lumière, capturant et convertissant une partie de l’énergie qui serait autrement perdue en relaxation, comme décrit ci-dessus.
Par exemple, si l’on avait une cellule avec deux bandes interdites, l’une accordée à la lumière rouge et l’autre au vert, l’énergie supplémentaire en lumière verte, cyan et bleue serait perdue uniquement pour la bande interdite du matériau sensible au vert, tandis que l’énergie du rouge, du jaune et de l’orange ne serait perdue que pour la bande interdite du matériau sensible au rouge. À la suite d’une analyse similaire à celle réalisée pour les dispositifs à une seule bande interdite, il peut être démontré que les bandes interdites parfaites pour un dispositif à deux ouvertures sont à 1,1 eV et à 1,8 eV.
De manière pratique, la lumière d’une longueur d’onde particulière n’interagit pas fortement avec les matériaux dont la bande interdite est plus grande. Cela signifie que vous pouvez créer une cellule à jonctions multiples en superposant les différents matériaux les uns sur les autres, les longueurs d’onde les plus courtes (plus grande bande interdite) sur le dessus et en augmentant dans le corps de la cellule. Comme les photons doivent traverser la cellule pour atteindre la couche appropriée à absorber, des conducteurs transparents doivent être utilisés pour collecter les électrons générés à chaque couche.
Produire une cellule en tandem n’est pas une tâche facile, principalement en raison de la minceur des matériaux et des difficultés d’extraction du courant entre les couches. La solution la plus simple consiste à utiliser deux cellules solaires à couche mince séparées mécaniquement, puis à les connecter ensemble à l’extérieur de la cellule. Cette technique est largement utilisée par les cellules solaires en silicium amorphe, les produits d’Uni-Solar utilisent trois de ces couches pour atteindre une efficacité d’environ 9%. Les exemples de laboratoire utilisant des matériaux en couches minces plus exotiques ont démontré une efficacité supérieure à 30%.
La solution la plus difficile est la cellule « monolithiquement intégrée », où la cellule se compose de plusieurs couches connectées mécaniquement et électriquement. Ces cellules sont beaucoup plus difficiles à produire car les caractéristiques électriques de chaque couche doivent être soigneusement adaptées. En particulier, le photocourant généré dans chaque couche doit être adapté, sinon les électrons seront absorbés entre les couches. Cela limite leur construction à certains matériaux, mieux satisfaits par les semi-conducteurs III-V.
Choix du matériel
Le choix des matériaux pour chaque sous-cellule est déterminé par les exigences des propriétés optoélectroniques de correspondance de réseau, de correspondance de courant et de haute performance.
Pour obtenir une croissance optimale et une qualité cristalline optimale, la constante de réseau cristallin de chaque matériau doit correspondre étroitement, ce qui permet d’obtenir des dispositifs adaptés au réseau. Cette contrainte a été quelque peu assouplie dans les cellules solaires métamorphiques récemment développées, qui contiennent un faible degré de discordance de réseau. Cependant, un plus grand degré de mésappariement ou d’autres imperfections de croissance peuvent conduire à des défauts cristallins provoquant une dégradation des propriétés électroniques.
Comme chaque sous-cellule est connectée électriquement en série, le même courant traverse chaque jonction. Les matériaux sont ordonnés avec des bandes interdites décroissantes, E g , permettant à la lumière de sous-bande interdite ( hc / λ <e • E g ) de transmettre aux sous-cellules inférieures. Par conséquent, les bandes interdites appropriées doivent être choisies de telle sorte que le spectre de conception équilibre la génération de courant dans chacune des sous-cellules, réalisant ainsi une adaptation de courant. La figure C (b) représente l’éclairement énergétique spectral E (λ), qui est la densité de puissance source à une longueur d’onde donnée λ. Il est représenté avec le rendement de conversion maximal pour chaque jonction en fonction de la longueur d’onde, ce qui est directement lié au nombre de photons disponibles pour la conversion en photocourant.
Enfin, les couches doivent être électriquement optimales pour des performances élevées. Cela nécessite l’utilisation de matériaux ayant de forts coefficients d’absorption α (λ), des durées de vie des porteurs minoritaires élevées τ minoritaires et des mobilités élevées µ.
Les valeurs favorables dans le tableau ci-dessous justifient le choix des matériaux généralement utilisés pour les cellules solaires à jonctions multiples: InGaP pour la sous-cellule supérieure (E g = 1,8 – 1,9 eV), InGaAs pour la sous-cellule intermédiaire (E g = 1,4 eV), et Germanium pour la sous-cellule inférieure (E g = 0,67 eV). L’utilisation de Ge est principalement due à la constante de son réseau, à sa robustesse, à son faible coût, à son abondance et à sa facilité de production.
Etant donné que les différentes couches sont étroitement adaptées au réseau, la fabrication du dispositif utilise typiquement un dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). Cette technique est préférable à l’épitaxie par jets moléculaires (MBE), car elle garantit une haute qualité cristalline et une production à grande échelle.
| Matériel | E g , eV | a , nm | absorption (λ = 0,8 µm), 1 / µm | µ n , cm² / (V • s) | τ p , µs | Dureté (Mohs) | α, µm / K | S , m / s |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| c-Si | 1.12 | 0,5431 | 0,102 | 1400 | 1 | 7 | 2.6 | 0,1 à 60 |
| InGaP | 1,86 | 0,5451 | 2 | 500 | – | 5 | 5.3 | 50 |
| GaAs | 1.4 | 0,5653 | 0,9 | 8500 | 3 | 4–5 | 6 | 50 |
| Ge | 0,65 | 0,5657 | 3 | 3900 | 1000 | 6 | 7 | 1000 |
| InGaAs | 1.2 | 0,5868 | 30 | 1200 | – | – | 5.66 | 100-1000 |
Éléments structurels
Contacts métalliques
Les contacts métalliques sont des électrodes à faible résistivité qui entrent en contact avec les couches semi-conductrices. Ils sont souvent en aluminium. Cela fournit une connexion électrique à une charge ou à d’autres parties d’un réseau de cellules solaires. Ils sont généralement des deux côtés de la cellule. Et il est important d’être sur la face arrière afin que l’ombre sur la surface d’éclairage soit réduite.
revêtement anti-réfléchissant
Le revêtement antireflet (AR) est généralement composé de plusieurs couches dans le cas des cellules solaires MJ. La couche AR supérieure a généralement une texturation de surface NaOH avec plusieurs pyramides afin d’augmenter le coefficient de transmission T , le piégeage de la lumière dans le matériau (car les photons ne peuvent pas facilement extraire la structure MJ due aux pyramides) et donc la longueur du trajet des photons dans le matériau. R diminue à 1%. Dans le cas de deux couches AR L 1 (la couche supérieure, généralement SiO
2 ) et L 2 (généralement TiO
2 ), il doit y avoir
Jonctions de tunnel
L’objectif principal des jonctions tunnel est de fournir une faible résistance électrique et une connexion optiquement faible entre deux sous-cellules.
Par conséquent, les électrons peuvent facilement traverser la région d’appauvrissement. La caractéristique JV de la jonction tunnel est très importante car elle explique pourquoi les jonctions tunnel peuvent être utilisées pour établir une connexion de faible résistance électrique entre deux jonctions pn. La figure D montre trois régions différentes: la région de tunnel, la région de résistance différentielle négative et la région de diffusion thermique. La région où les électrons peuvent traverser la barrière s’appelle la région du tunnel. Là, la tension doit être suffisamment faible pour que l’énergie de certains électrons qui creusent des tunnels soit égale aux états d’énergie disponibles de l’autre côté de la barrière. Par conséquent, la densité de courant à travers la jonction du tunnel est élevée (avec une valeur maximale de
Afin d’éviter la réduction des performances des cellules solaires MJ, les jonctions tunnel doivent être transparentes aux longueurs d’onde absorbées par la cellule photovoltaïque suivante, la cellule intermédiaire, à savoir E gTunnel > E gMiddleCell .
Couche fenêtre et champ arrière
Une couche de fenêtre est utilisée afin de réduire la vitesse de recombinaison de surface S. De même, une couche de champ de surface arrière (BSF) réduit la diffusion des porteurs vers la jonction du tunnel. La structure de ces deux couches est la même: c’est une hétérojonction qui capture des électrons (trous). En effet, malgré le champ électrique E d , ceux-ci ne peuvent pas sauter au-dessus de la barrière formée par l’hétérojonction car ils n’ont pas assez d’énergie, comme le montre la figure E. Ainsi, les électrons (trous) ne peuvent pas se à travers la barrière. Soit dit en passant, les couches de fenêtre et de BSF doivent être transparentes aux longueurs d’onde absorbées par la prochaine jonction pn, par exemple EWeWindow > E Emetteur et E gBSF > E gEmitter .De plus, la constante de réseau doit être proche de celle de InGaP et la couche doit être fortement dopée ( n ≥ 10 18 cm -3 ).
Caractéristique JV
Pour une efficacité maximale, chaque sous-cellule doit fonctionner à ses paramètres JV optimaux, qui ne sont pas nécessairement égaux pour chaque sous-cellule. S’ils sont différents, le courant total traversant la cellule solaire est le plus faible des trois. Par approximation, il en résulte la même relation pour le courant de court-circuit de la cellule solaire MJ: J SC = min (J SC1 , J SC2 , J SC3 ) oùJ SCi (λ) est la densité de courant de court-circuit à un longueur d’onde donnée λ pour la sous-cellulei .
En raison de l’impossibilité d’obtenir J SC1 , J SC2 , J SC3 directement à partir de la caractéristique JV totale, l’efficacité quantique QE (λ) est utilisée. Il mesure le rapport entre la quantité de paires électron-trou créées et les photons incidents à une longueur d’onde donnée λ. Soit flux i (λ) le flux photonique de la lumière incidente correspondante dans les sous-cellules i et QE i (λ) soit le rendement quantique de la sous-cellule i . Par définition, cela équivaut à:
La valeur de
De même, parce que
Les valeurs de {\ displaystyle V_ {OCi}}
Efficacité limite théorique
Nous pouvons estimer l’efficacité limite des cellules solaires à jonctions multiples infinies idéales en utilisant l’analyse graphique de l’efficacité quantique (QE) inventée par CH Henry. Pour tirer pleinement parti de la méthode de Henry, l’unité de l’éclairement énergétique spectral AM1.5 doit être convertie en flux photonique (nombre de photons / m 2 / s). Pour ce faire, il est nécessaire d’effectuer une conversion d’unité intermédiaire de la puissance incidente du rayonnement électromagnétique par unité de surface par énergie photonique au flux de photons par énergie photonique (de [W / m 2 / eV] à [nombre de photons / m 2 / s / eV]). Pour cette conversion d’unité intermédiaire, les points suivants doivent être pris en compte: Un photon a une énergie distincte qui est définie comme suit.
(1): E ph = h ∙ f = h ∙ (c / λ)
où E ph est l’énergie photonique, h est la constante de Planck (h = 6,626 * 10 -34 [J ∙ s]), c est la vitesse de la lumière (c = 2,998 * 10 8 [m / s]), f est la fréquence [1 / s], et λ est la longueur d’onde.
Ensuite, le flux de photons par énergie photonique, dn ph / dhν, par rapport à une certaine irradiation E [W / m 2 / eV] peut être calculé comme suit.
(2):
À la suite de cette conversion d’unité intermédiaire, l’irradiance spectrale AM1.5 est donnée en unité du flux de photons par énergie photonique, [nombre de photons / m 2 / s / eV]
Sur la base du résultat ci-dessus de la conversion d’unité intermédiaire, nous pouvons dériver le flux de photons en intégrant numériquement le flux de photons par énergie photonique par rapport à l’énergie photonique. Le flux de photons intégré numériquement est calculé en utilisant la règle trapézoïdale, comme suit.
(3):
Grâce à cette intégration numérique, l’irradiance spectrale AM1.5 est donnée en unité du flux de photons, [nombre de photons / m2 / s].
Il convient de noter qu’il n’ya pas de flux de photons dans la gamme des petits photons allant de 0 eV à 0,3096 eV car le spectre d’énergie solaire standard (AM1,5) pour hν <0,31 eV n’est pas disponible. Indépendamment de l’indisponibilité de ces données, l’analyse QE graphique peut être effectuée en utilisant les seules données disponibles avec une hypothèse raisonnable que les semi-conducteurs sont opaques pour les énergies photoniques supérieures à leur énergie de bande interdite, mais transparentes pour les énergies photoniques. Cette hypothèse explique la première perte intrinsèque d’efficacité des cellules solaires, causée par l’incapacité des cellules solaires à simple jonction de correspondre correctement au large spectre d’énergie solaire. Cependant, l’analyse graphique QE actuelle ne peut toujours pas refléter la seconde perte intrinsèque d’efficacité des cellules solaires, la recombinaison radiative. Pour prendre en compte la recombinaison radiative, il faut d’abord évaluer la densité de courant radiatif, J rad . Selon la méthode de Shockley et Queisser, J rad peut être approché comme suit.
(4):
(5):
où E g est en électron volts et n est évalué à 3,6, la valeur pour GaAs. Le rayonnement thermique absorbé incident J th est donné par J rad avec V = 0.
(6):
La densité de courant délivrée à la charge est la différence des densités de courant dues au rayonnement solaire et thermique absorbé et à la densité de courant émise par la surface supérieure ou absorbée dans le substrat. Définissant J ph = en ph , nous avons
(7): J = J ph + J th – J rad
Le second terme, J th , est négligeable comparé à J ph pour tous les semi-conducteurs avec E g . ≥ 0,3 eV, comme cela peut être démontré par une évaluation de la susdite équation. Ainsi, nous allons négliger ce terme pour simplifier la discussion suivante. Ensuite, nous pouvons exprimer J comme suit.
(8):
La tension en circuit ouvert est trouvée en réglant J = 0.
(9):
Le point de puissance maximum (J m , V m ) est trouvé en fixant la dérivée
(dix):
(11):
Enfin, le travail maximum (W m ) effectué par photon absorbé, Wm est donné par
(12):
En combinant les trois dernières équations, nous avons
(13):
En utilisant l’équation ci-dessus, W m (ligne rouge) est tracé pour différentes valeurs de E g (ou n ph).
Maintenant, nous pouvons pleinement utiliser l’analyse graphique QE d’Henry en prenant en compte les deux principales pertes intrinsèques d’efficacité des cellules solaires. Les deux principales pertes intrinsèques sont la recombinaison radiative et l’incapacité des cellules solaires à une seule jonction de correspondre correctement au large spectre d’énergie solaire. La zone ombrée sous la ligne rouge représente le travail maximum effectué par les cellules solaires à jonctions multiples infinies idéales. Par conséquent, l’efficacité limite des cellules solaires à jonctions multiples infinies idéales est évaluée à 68,8% en comparant la zone hachurée définie par la ligne rouge à la surface totale du flux de photons déterminée par la ligne noire. (C’est pourquoi cette méthode est appelée analyse QE « graphique »). Bien que cette valeur d’efficacité limite soit cohérente avec les valeurs publiées par Parrott et Vos en 1979: respectivement 64% et 68,2%, il existe un petit écart entre la valeur estimée ce rapport et les valeurs de la littérature. Cette différence mineure est probablement due aux différentes manières de rapprocher le flux de photons de 0 eV à 0,3096 eV. Ici, nous avons approché le flux de photons de 0 eV à 0,3096 eV de la même manière que le flux de photons à 0,31 eV.