| Titre : | Etude par simulation numérique d’une cellule solaire en CIGS à multi-jonction par le logiciel Tcad Silvaco |
| Auteurs : | Elbar Mourad, Auteur ; Souad Tobbeche, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Kheider, 2018 |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | Modélisation,Cellule solaire,Tandem,CIGS,CGS,Rendement,Température,Tcad Silvaco. |
| Résumé : |
Les cellules solaires en couches minces par ―Copper Indium Gallium Selenide‖ (CuIn(1-
x)GaxSe2) attirent plus d'attention récemment dans l'industrie photovoltaïque. Les cellules solaires de CIGS simple jonction constituées par des couches ayant différents gaps d‘énergie de 1.2 à 1.3 eV ont atteint un rendement de conversion record de 20.1 %. Une augmentation et amélioration de ce rendement est prévue principalement en utilisant des cellules solaires double jonction (dénommées tandem) afin d‘exploiter tout le spectre solaire, ceci est le but de notre travail. Pour cela, une étude de simulation et de conception d‘une cellule solaire en CIGS à double jonction sera effectuée. L‘outil de modélisation et de simulation est le logiciel Tcad Silvaco à 2D adapté à l‘étude des performances des cellules solaires à base de CIGS simple et double jonction. Dans un premier temps, nous avons étudié les caractéristiques électriques d‘une cellule solaire en couches minces et à hétérojonction à base de ZnO/CdS(n)/CIGS(p)/Mo et ZnO/CdS(n)/CGS(p)/Mo simple jonction avec épaisseurs fixes des absorbeurs (CIGS, CGS) de 3.5µm et 0.26µm, respectivement. Les caractéristiques électriques de la densité de courant en fonction de la tension J(V) sous éclairement AM1.5 sont simulées : les rendements de conversion obtenus sont 20.32 % et 18.92%, respectivement. Ces résultats de simulation sont en très bon accord avec ceux trouvés expérimentalement et par simulation existants dans la littérature. Puis dans un deuxième temps, nous avons étudié la cellule solaire tandem en CGS/CIGS, les résultats de la simulation sont : le rendement de conversion = 25.11 %, la tension en circuit ouvert Vco = 1.8 V, la densité du courant de court-circuit Jcc=16.35 mA/cm² et le facteur de forme FF= 85.09 %. Le rendement simulé de 25.11% obtenue pour la cellule tandem (GGS/CIGS) non optimisée est meilleur que celui reporté dans la littérature et obtenu en utilisant les deux logiciels SilvacoAtlas et AMPS-1D. Ensuite, l‘épaisseur de la cellule inférieure en CIGS étant fixée à 3.5 µm nous avons varié l'épaisseur de la cellule supérieure en CGS de 0.1μm à 0.28µm dans la cellule tandem (CGS/CIGS). L‘épaisseur optimale correspondante à un rendement de conversion maximal de 26.21 % est de 0.19 µm. Cette valeur assure la condition d‘égalité des courants de court-circuit de la cellule solaire supérieure en CGS et la cellule solaire inferieure en CIGS se trouvant dans la cellule solaire tandem en (CGS/CIGS). Enfin, nous avons étudié l'effet de la température sur les caractéristiques de la cellule solaire tandem optimisée dans l‘intervalle de température 300-400 K. A partir des résultats de simulation, nous avons constaté une petite augmentation de la densité de courant de court-circuit, et une diminution linéairement des caractéristiques photovoltaïques (la tension en circuit ouvert, le facteur de forme FF et le rendement de conversion ) des cellules solaires (supérieure, inferieure, tandem) avec l'augmentation de la température. |
| Sommaire : |
Table des matières
i…........................................................................................................................................ هلخص Résumé ...................................................................................................................................... ii Abstract.................................................................................................................................... iii Liste des symboles ................................................................................................................... iv Liste des abréviations.............................................................................................................. vi Table des matières.................................................................................................................. vii Liste des Figures....................................................................................................................... x Liste des tableaux ................................................................................................................... xv Introduction générale............................................................................................................... 2 Chapitre I: Propriétés des matériaux de la cellule solaire à base de CIGS I.1. Introduction.......................................................................................................................... 7 I.2. Introduction aux milieux matériels...................................................................................... 7 I.2.1. Conducteurs ............................................................................................................... 7 I.2.2. Isolants....................................................................................................................... 8 I.2.3. Semi-conducteurs....................................................................................................... 8 I.3. Propriétés du matériau CIGS ............................................................................................. 12 I.3.1. Généralités sur les éléments de bases du matériau CIGS ........................................ 12 I.3.2. Structure cristalline et différents alliages dérivés du CuInSe2 ................................. 13 I.3.3. Propriétés électriques............................................................................................... 15 I.3.4. Propriétés optiques................................................................................................... 16 I.3.5. Influence du Ga........................................................................................................ 19 I.3.6. Les techniques d‘élaboration du matériau CIGS ..................................................... 20 I.4. Propriétés du sulfure de cadmium CdS.............................................................................. 22 I.4.1. Choix du CdS........................................................................................................... 22 I.4.2. Structure du CdS...................................................................................................... 23 I.4.3. Propriétés optiques du CdS...................................................................................... 23 I.4.4. Propriétés physiques du CdS ................................................................................... 24 I.4.5. Propriétés électriques............................................................................................... 24 I.5. Oxyde de zinc ZnO ............................................................................................................ 25 I.5.1. Propriétés structurales.............................................................................................. 25 I.5.2. Propriétés électriques............................................................................................... 26 I.5.3. Propriétés optiques................................................................................................... 27 viii I.6. Conclusion ......................................................................................................................... 28 Chapitre II: Généralités sur les cellules solaires simple à base de CIGS II.1. Introduction....................................................................................................................... 31 II.2. Rayonnement solaire ........................................................................................................ 31 II.3. Génération de porteurs en excès par la lumière................................................................ 33 II.4. Fonctionnement d‘une cellule solaire ............................................................................... 34 II.4.1. La jonction P-N ...................................................................................................... 34 II.5. Caractéristiques Electriques d‘une cellule solaire ............................................................ 36 II.5.1. Caractéristiques (I-V) sous obscurité ..................................................................... 36 II.5.2. Caractéristiques (I-V) sous illumination................................................................. 37 II.5.3. Rendement quantique et réponse spectrale............................................................. 41 II.6. Différents types de cellules............................................................................................... 42 II.6.1. Filière silicium........................................................................................................ 42 II.6.2. Filière couches minces............................................................................................ 43 II.7. Cellules solaires à base de Cu(In, Ga)Se2......................................................................... 44 II.7.1. Structure de la cellule en CIGS .............................................................................. 45 II.7.2. Diagramme de bande d‘énergie d‘une cellule solaire en CIGS.............................. 50 II.7.3. Principe de fonctionnement physique d‘une cellule solaire en CIGS .................... 51 II.8. Conclusion ........................................................................................................................ 53 Chapitre III: Cellules solaires à multi-jonctions III.1. Introduction ..................................................................................................................... 55 III.2. Configuration des cellules multijonctions....................................................................... 56 III.2.1. Cellule tandem à quatre terminales....................................................................... 56 III.2.2. Cellule monolithique tandem à deux terminales................................................... 57 III.2.3. Cellule monolithique tandem à trois terminales.................................................... 57 III.2.4. Système à décomposition spectrale....................................................................... 58 III.3. Principe de la cellule solaire tandem à deux terminales.................................................. 59 III.4. Etude par simulation numérique de cellules solaires tandem à base de CIGS................ 60 III.5. Conclusion....................................................................................................................... 66 Chapitre IV: Modélisation et simulation numérique des cellules solaires IV.1. Introduction ..................................................................................................................... 68 IV.2. Equations fondamentales du simulateur ATLAS............................................................ 68 IV.2.1. Equation de Poisson .............................................................................................. 69 ix IV.2.2. Equations de continuité......................................................................................... 69 IV.2.3. Equations de transport........................................................................................... 69 IV.2.4. Recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH)......................................................... 70 IV.2.5. Recombinaisons surfaciques et au contact............................................................ 71 IV.3. Logiciel de simulation TCAD-SILVACO ...................................................................... 72 IV.3.1. Simulateur ATLAS ............................................................................................... 74 IV.3.2. Logique de programmation................................................................................... 75 IV.4. Conclusion....................................................................................................................... 83 Chapitre V: Résultats de simulation numérique et interprétation V.1. Introduction ...................................................................................................................... 85 V.2. Description de la structure de la cellule solaire tandem en CGS/CIGS ........................... 85 V.3. Modèles physiques ........................................................................................................... 86 V.4. Paramètres de la simulation.............................................................................................. 88 V.5. Résultats de la simulation de la cellule solaire en CIGS, CGS et en CGS/CIGS............. 90 V.5.1. Modélisation de la cellule solaire inferieure en CIGS dans ATLAS ..................... 90 V.5.2. Caractéristique électrique de la cellule solaire supérieure en CGS........................ 94 V.5.3. Caractéristique électrique de la cellule solaire tandem en CGS/CIGS .................. 96 V.5.4. Effet de l'épaisseur de couche en CGS de la cellule supérieure sur les paramètres photovoltaïques de la cellule tandem .............................................................................. 100 V.6. Effet de la température sur la cellule solaire .................................................................. 106 V.6.1. Dépendance de l‘énergie de la bande interdite de la température .................. 107 V.6.2. Effet de la température sur la cellule solaire tandem optimisée........................... 107 V.6.3. Effet de l'épaisseur en CGS de la cellule supérieure en fonction de la température……………………………………………………………………………...112 V.7. Conclusion...................................................................................................................... 114 Conclusion générale ............................................................................................................. 116 Références bibliographiques ............................................................................................... 120 Publications et communications.......................................................................................... 129 |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0879 | Thèse de doctorat | BIB.FAC.ST. | Empruntable |
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