Modélisation, élaboration et caractérisation de cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin pour des applications sous concentration

par Benoit Guillo Lohan

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser

Sous la direction de Mustapha Lemiti.

Soutenue le 26-11-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Raphaël Clerc.

Le jury était composé de Mustapha Lemiti, Raphaël Clerc, Sébastien Dubois, Fabrice Gourbilleau, Mohamed Amara, Anne Kaminski-Cachopo.

Les rapporteurs étaient Sébastien Dubois, Fabrice Gourbilleau.


  • Résumé

    Les performances électriques des cellules photovoltaïques à base de silicium sont fortement dégradées lorsque leur température augmente. Cette problématique, pourtant bien connue, n’est pas suffisamment prise en considération dans l’industrie du photovoltaïque. Pour parer à cette dégradation, deux voies d’améliorations peuvent être explorées : diminuer la température de fonctionnement des cellules ou réduire leurs coefficients de dégradation en température. Cette étude est d’autant plus importante pour les applications sous concentrations, un éclairement élevé favorisant l’échauffement des cellules. Pour les facteurs de concentration élevés, l’utilisation de systèmes de refroidissement actifs réduit drastiquement la température de fonctionnement. Pour les faibles éclairements, le refroidissement passif est préféré, bien moins coûteux en énergie. Ce travail de thèse est focalisé sur l’étude du comportement thermo-électrique des cellules sous faible concentration du rayonnement incident. Un banc de caractérisation innovant développé dans cette thèse a rendu possible la quantification des variations de la température de la cellule avec la tension de polarisation sous différents facteurs de concentration. Avec l’augmentation de la polarisation, une évolution du facteur d’émission thermique est observée du fait des variations de la concentration de porteurs de charge minoritaires. Le refroidissement radiatif est minimal au courant de court-circuit et est maximal à la tension de circuit ouvert : la température atteinte au point de court-circuit est supérieure à celle atteinte en circuit ouvert. Pour une cellule donnée, sous un éclairement de 3 soleils, un écart de température de 6.2 °C a pu être mesuré entre ces deux points. La fabrication de cellules avec des propriétés différentes nous a permis de confirmer l’importance du dopage de la base et de l’architecture sur l’augmentation du refroidissement radiatif avec la polarisation. De plus, la comparaison du comportement thermo-électrique des cellules de type de dopages différents a mis en avant de plus faibles coefficients de dégradation en température de la tension en circuit ouvert pour les cellules ayant un substrat de type n. Par exemple, pour une température de et sous un éclairement de 1 soleil, un coefficient de dégradation en température du Voc de −0.45% %·°C-1 a été mesuré sur une cellule de type n contre −0.49%·°C-1 pour une cellule de type p.

  • Titre traduit

    Modelisation, fabrication and characterisation of silicon based solar cell for application under concentrated sunlight


  • Résumé

    The electrical performances of silicon based solar cells strongly degrade when increasing their temperature. However, such a well-known issue is too scarcely considered in the phovoltaic industry. To prevent the degradation of silicon based solar cells, two ways of improvement can be explored : one can either decrease the cells’ functionning temperature or either reduce the temperature degradation coefficient. As light intensity tends to favor cell heating, the study is even more important under concentrated sunlight. Regarding high light intensities, active cooling systems can be used to drastically reduce the cell temperature. For low light intensities, passive cooling systems, such as radiative cooling, are more energetically savy. The thesis aims at studying the electro-thermal behavior of cells under low light intensities. An innovative experimental set-up has been developped during this thesis to quantify the variation of the cell temperature with the applied bias voltage. When increasing the bias, an evolution of the cell emissivity is observed because of a variation of the minorities carrier concentration. The radiative cooling is at its lowest at the short circuit current and peaks its highest value at the open circuit voltage : as a result, the reached temperature is higher at the short circuit current than at the open circuit voltage. For a given solar cell, under 3 suns, a temperature shift of 6.2 °C was measured between these two points. The control of the fabrication process gives the opportunity to analyse the influence of the base doping and cell architecture on the evolution of the radiative cooling with the applied bias. Furthermore, the comparison between the electro-thermal behaviors of solar cells, which are related to their type of doping, has shown a lower thermal degradation coefficient of the open circuit voltage for n-type based dope solar cells. For example, at 60°C and under 1 sun, we measured a thermal degradation coefficient BVoc = −0.45% %·°C-1 for a n type solar cell whereas the p type solar cell recorded BVoc = −0.49% %·°C-1.


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