Ce ppt traite les Cellules solaire de deuxième génération à base d’AsGa et InP simple et à concentration

1. Université Hassan II de Casablanca
Faculté des Sciences et Techniques Mohammedia
Département de Physique
MST : Ingénierie et Physique des Matériaux Avancés (IPMA)
Module : Matériaux pour le Photovoltaïque et stockage d’Energie
Réalisé par : - ELHADFI SOUFIANE
- OUACHA M’hamed
- EL IDRISSI Mohamed
Cellules solaire de deuxième
génération à base d’AsGa et InP
simple et à concentration
Demandé par : Pr .HARTITI
AU:2019/2020

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plan
Introduction
Chapitre 1 : Généralités sur les cellules solaires
Chapitre 2 : cellule solaire à base de GaAs
Chapire 3 : cellule solaire à base d’InP
Chapitre 4 : cellule à concentration
conclusion

3. Généralités sur les cellules solaires

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Généralités sur les cellules solaires
Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est un paquet d’ondes qui est émis par le soleil et reçu par la
terre 8 minutes plus tard. Ces ondes selon leurs longueurs sont faites d’ultraviolet, visible
et infrarouge.

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Généralités sur les cellules solaires
Types der rayonnement solaire
 En fonction du type du rayonnement solaire et de la technique utilisée,
l'énergie solaire peut permettre de produire de la chaleur ou de l'électricité.
 On distingue 3 types de rayonnement solaire :
 Rayonnement direct
 Rayonnement diffus
 Rayonnement réfléchi

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Généralités sur les cellules solaires
Structure d’une cellule solaire photovoltaïque

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Généralités sur les cellules solaires
Types des cellules solaires
Cellules
solaires
Cellules solaires de
la première
génération (cellules
cristallines)
Cellules solaires de
la deuxième
génération
(couches minces)
Cellules solaires de
la troisième
génération

8. Cellule solaire à base de GaAs

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Cellule solaire à base de GaAs
L’arséniure de gallium (GaAs) est un matériau à gap direct, composé
de deux semi-conducteurs de la colonne III et V, de tableau
périodique. Il est utilisé dans un large domaine d’application en
électronique (LEDs infrarouges, Laser, Fibre optique et cellules
solaires…etc

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Cellule solaire à base de GaAs
Propriétés de GaAs à
T=300K
GaAs
(T=300K)
Structure
cristallin:
Zinc Blende
Nombre
d’atome/cm3:
4.42 1022
Affinité
électronique:
4.07 ev
Conductivité
thermique
0.45 W/cm.K
Constante
diélectrique :
12.5
Mobilité des
électrons 𝜇𝑛
9200 cm2 V-1
S-1
Température
de fusion:
1238 ℃

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Cellule solaire à base de GaAs
Structure des bandes d'énergie

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Cellule solaire à base de GaAs
Coefficient d’absorption

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Cellule solaire à base de GaAs
couche fenêtre
couche émettrice
couche de base
couche de champ
structure conventionnelle
de cellule d’GaAs

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Cellule solaire à base de GaAs
Elaboration de couches
minces de GaAs
Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur
un autre matériau, appelé " substrat ". Le but de la couche mince
est de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce
tout en bénéficiant des propriétés massives du substrat
Couche mince

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Cellule solaire à base de GaAs
Techniques
d’élaborations
Epitaxie en
phase vapeur
aux organo-
metalliques
Epitaxie par
faisceaux
chimiques
Epitaxie par
faisceaux
moléculaires
 les cellules photovoltaïques les plus efficaces jusqu'a présent sont fabriquées
par croissance epitaxiale de semi-conducteurs composes III-V.
 Les techniques les plus utilisées pour leur fabrication sont les suivantes :

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Cellule solaire à base de GaAs
Epitaxie en phase vapeur aux organo-metalliques
metal organic chemical vapour deposition (MOCVD)
C’est une technique de croissance cristalline dans laquelle les
éléments à déposer, sous forme d'organométalliques ou
d'hydrures, sont amenés vers le substrat monocristallin par un gaz
vecteur. Cette technique de croissance est particulièrement prisée
dans l'industrie des semi-conducteurs III-V en raison de la bonne
reproductibilité et des fortes vitesses de croissance accessibles.

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Cellule solaire à base de GaAs
Epitaxie en phase vapeur aux organo-metalliques
metal organic chemical vapour deposition (MOCVD)
 principe du fonctionnement
Le substrat est chauffé et balayé par un gaz vecteur. Le gaz
vecteur permet d'amener les éléments à épitaxier sur le substrat.
Les éléments à épitaxier sont sous forme de molécules appelées
précurseurs. Si les conditions sont bien choisies, les molécules se
pyrolysent au contact du substrat chauffé, les éléments souhaités
se déposent sur le substrat, et les résidus des précurseurs sont
évacués par le gaz vecteur .

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Cellule solaire à base de GaAs
Epitaxie en phase vapeur aux organo-metalliques
metal organic chemical vapour deposition (MOCVD)

19. Cellule solaire à base de InP

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Cellule solaire à base de InP
Structure cristalline
Structure cristalline de phosphore d’indium.
Dans le matériau massif, le phosphure d’indium présent une structure
cristalline cubique de type (zinc blende).
𝑃 forment un réseau cubique à faces centrées
d’arrêt aInP = 5,8687 Å à T=300K.
Les atomes d’I𝑛 occupent un site tétraédrique
sur deux

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Cellule solaire à base de InP
Propriétés physico-chimiques
Paramètres Valeurs
Masse molaire 145,79 g.mol-1
Densité 4,81 g.cm-3
Constante diélectrique statique 12,5
Constante diélectrique optique 9,61
Point de fusion 1 062 °C
Conductivité thermique 0,68 W.cm-1.K-1
Affinité électronique 4,38 eV
Température de Debye 425 K
Propriétés physico-chimiques utiles du phosphure d’indium

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Cellule solaire à base de InP
Propriétés électriques
Dopage Influence du dopage sur la
résistivité des substrats
 L’atome dopant usuel de type n
est le soufre pour l’InP (jusqu’à
1019 cm-3)
 Le dopage de type p est réalisé
avec le zinc, élément qui a
tendance à ségréger facilement,
et est limité autour de 1018cm-3.
 La qualité cristalline des
substrats étudiés, et donc la
technique de croissance des
lingots d’origine.
 La température
 La concentration en dopants

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Cellule solaire à base de InP
Propriétés électroniques
Paramètres Valeurs
Température(K) 300 77
ΔEg (eV) 1,35 1,41
⋋ (𝜇m) 0,92 0,88
ΔEGL (eV) 0,54 0,61
ΔEGX (eV) 0,76 0,755
meG
* / m0 0,078 0,082
meL
* / m0 0,22 0,22
meX
* / m0 0,384 0,384
Paramètre de la bande de conduction dans InP
Structure des bandes de phosphure d’indium

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Cellule solaire à base de InP
Cellule solaire au phosphure d'indium
Schéma de la cellule solaire InP
 Film mince à haut rendement
 Fonctionnement à haute température
 Faibles dégradation des performances

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Cellule solaire à base de InP
Cellule solaire au phosphure d'indium
Courbe I - V
ICC (mV) VOC (mAcm-2) FF(%) Efficacité
30,4 960 87,4 25,5
 la tension de circuit ouvert (VOC) exprimée en Volts
 le courant de court-circuit (ICC) exprime en mA
 le facteur de forme (FF) 𝑭𝑭 =
𝑽𝒎𝑰𝒎
𝑽𝑪𝑶𝑰𝑪𝑪
 Ce produit 𝑉
𝑚𝐼𝑚 correspond à la puissance maximale
Pmax pouvant être délivrée par la cellule photovoltaïque
 le rendement de conversion (η) exprimé en
pourcentage
 Pin est la puissance incidente du
spectre AM1.5G (1000 W/m2)
𝜼 =
𝑽𝒎𝑰𝒎
𝑷𝒊𝒏
=
𝑭𝑭𝑽𝑪𝑶𝑰𝑪𝑪
𝑷𝒊𝒏
Paramètres de performance de cellule solaire InP

26. Cellule solaire à concentration

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Cellule solaire à concentration
Cellule solaire à
concentration
Cellule photovoltaïque à
faible concentration
Cellule photovoltaïque à
concentration moyenne
Cellule photovoltaïque à
concentration élevée

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Cellule solaire à concentration
Dispositifs de concentration et principe de fonctionnement

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Cellule solaire à concentration
Cellules multi-jonctions
Rayon solaire
Figure2:Exemple d’une cellules multi-
jonctions
 Les cellules multi-jonctions sont des cellules solaire constituent
de plusieurs semi-conducteurs
Figure1: Le spectre solaire convertie par
chaque matériau
 L’intérêt des cellules MJ réside dans leur aptitude à convertir
une partie beaucoup plus importante du spectre solaire

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Cellule solaire à concentration
Découpage du spectre solaire
 Cette méthode est basée sur l’utilisation de
systèmes optiques permettant la répartition
spatiale de la lumière sur chaque cellule en
fonction de sa longueur d’onde.
 Chaque cellule reçoit ainsi la partie du
spectre solaire adaptée au matériau

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Cellule solaire à concentration
Le principe de cette méthode consiste à
construire un empilement « mécanique » de
cellules mises en série,. Le gros avantage de
cette méthode est de pouvoir utiliser des
cellules de natures cristallographiques très
différentes sans contrainte sur les
paramètres de maille des matériaux
Système à empilement mécanique

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Conclusion
 Les cellules photovoltaïques à base d’éléments III-V (GaAs, InP. . . ) ont
un bon rendement par rapport aux autres semi-conducteurs bien que le
facteur du cout élever est présent, mais l’utilisation de ces éléments
s’augmente toujours surtout dans le domaine militaire et spécial.
 L’utilisation d’optiques de concentration permet de rentabiliser
l’utilisation de cellules haute efficacité en minimisant la surface active
nécessaire pour une surface de captation donnée.

33. Merci de votre
attention