SCiences et Médêcine
Pertes énerqétlques dans la cellule HgO,42CdO,5STe/GaAs
Dr KABORE M'bi' et Pr KOUADJA K.2
RESUME
L'amélioration des rendements est une préoccupation toujours d'actualité dans le domaine de la conversion
photovoltaïque. Les efforts tournis ont permis de réduire les pertes (effet joule, phénomène de recombinaison ombrage,
réflexion transparence .. .). Nous avons évalué dans ce travail deux pertes de la cellule HgO,42CdO,58Te/GaAs notamment
. celles liées à la transparence et à la thermistance. Cette évaluation à permis de montrer l'importance de ces deux pertes
mais la plus importante est celle liée à la thermistance (30,32% de l'énergie incidente) contre 5,54% pour les pertes liées à
la transparence.
.
. '..
.
'
.
ABSTRACT
The improvement of the outputs is a con cern always of topicality in the field of photovoltaic conversion. The provided
efforts made it possible toreduce the iossestloute eîtect, phenomenon ofrecombination, shade, reflexion transparency.. .).
We have evaiuated in this work two losses of the HgO,42CdO, 58Te / GaAs cellular in particularthose relatedonthe
transparency and of the thermistor. This evaluation show they are the most significant losses but mostsiqtuticantis-thot
aqainst related to the thermistor (30,32% of in cidenta1energy) 5S4%for the lossesrelated to the transpatency. " ' ;
Le tableau 1 présente les performances du tandem
. optimal et les contributions. des cellules GaAs et
H90.42Cdo.5aTe (x=O,58 est le paramètre stœchiométrique
optimum) issues de. cette optimisation. Les .différents
.paramètres physiques et géométriquesqui conduisent
à ces performances sont indiqués dans le tableau2.Ce5
résultats tiennent compte des pertes par transparence
et parthermistance.Les matériaux GaAset H9é>,42Cdo.58Te
ont respectivement pour gap 1,43eV etO,72eV [2]. A.
partir de cette cellule optimale obtenue nousallons .
déterminer ce que représentent les puissances perdues
par thermistance et par transparence.
l.llAs
J
ug"."LIJ".",le
Performances
(ccllulc l )
1
.(eellule2)
Tandem
1
rcê (in-:;\\7cln'f - : - - Lb,7CJ - - ';"" - - -26,1)0 - - ~ ';"" .; - - 1(i:(f(j- ~ --
,
,
,
~C(I(IÎlV'f - - -: - - -<)41)- - - -;- - - - 297- - ~ - -;- -'~ - ï246.~ ~-
.
t
i ·
filÎ (InÏ\\7clnY - : - ~ - 25" ~ - - -;- - - - -2:- - - - - -;- - .~ - -2:- - ~. - -
,
,
,
rilÎl(lu-:;\\7cn1"'lj - : - - -(f,4"X- - - -;- - - - L02 - - - -;- - ~..~~~~~- -
,
r
INTRODUCTION
rnll(nï,VênÏ'j - : - - - D4 - - - -;- - - - 0,02- - - - -;- - -~~~~~ - -
Il s'agit ici d'évaluer deux pertes importantes dans
,
,
V'lï1\\.ü\\'j - - -: - - - 8"):- - - - -;- - - - 2D- - - - -;- - - - JoiI - - -
la cellule photovoltaïque
H9oA2Cdo,saTe/GaAs. Cest
.
,
,
FI' - - - - - - -: - - -(f,lf4- - - -;- - - - 0',70- - - - -;-
notamment les pertes par thermistance et les pertes
~ - - 0.R3- ---
,
,
1
par transparence. Cette structure a fait l'objet d'une
ri"<%} - - - - - - ~ - - L2,2<f - - ~ - - - ),60- - - - ~ - - -rno - -. -
1
1
.
1
étude théorique. Elle a consisté à une optimisation de
la structure H91_xCdxTe/GaAs en fonction du paramètre
Tableaul
: Performances du tandem optimal et les
contributions des deux cellules qui le composent
stœchiométrique x, . des paramètres physiques et
qéométriques (annexe1). Il s'agit notamment des
Dr KABORE M'bi (1) et Pr KOUADJA Koinenon (2).
dopages, des profondeurs de jonction et des vitesses
(1) Université
Po/ytechnique de Bobo-Dioulasso/tnstitut Universitaire de
de recombinaisons (thèse
Université de Cocody-
Technologie
Bp 1091Bobo-Diou/osso;
Abidjan 1999) (1 J. Cette optimisation a montré qu'un
e-mail: :mibikobore@univ-ouaga.bf/mb kaboré@yahoo,{r
rendement de 27,80% peut être obtenu ( tableau 1).
(2) Université Abidjan-Cocody de/a Côte d'ivoire
Rev. CAMES''':'Série A, Vol. 04,2006
35
Sciences et Médecine
Paramètres physiques. .... ,
'Paramètres géométriques .
1
1
Na 1= lO"cm"
Na2=2.10
1
'·cm·'
y1p=O,8fJm
y2nSOfJm
1
- - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1
Nd 1=S.1O"cm"
1
Nd2=3 ..10"cm-'
y1n=1,2fJm
1
y2p=201J1ll
..
1
',
,
- - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - - '- - - - - - - - - - - -
Na3= 1O,ocm- j
1 52p=10cm/s
1
Xfe =O,02fJm
1
dx=O,llJlll
1
- - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - -, -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1
1
S1p=10cm/s
S2n=10cm/s
1
1
- - - - - - - - - - - .; - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1
indice d'oxyde n 1=;1.9
1
nature de la surface: texturisée(STl
1
1
-
- - - - .- - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -' - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - - - - - - - - -
"
Rs=On
1 teneur en Aluminium
1
1 de la fenêtre AI,Ga,.,As (y= J)
1
1
1
Tableau 2 : Paramètres physiques et géométriques du tandem optimal
.
.
Outre les pertes directes' d'énergie dues à la
Eg : gap de la cellule.
thermistance, cette énergie perdue provoque un
L'adaptation de l'expression (1) à notre structure
échauffement de la cellule' photovoltaïque. Ceci
(figure') donne :
provoque une /dégradation des performances de
- pour la première cellule:
la cellule. En effet la concentration intrinsèque des
Pth! = lÀ ! q<t> 0(À) [!-r(À)][l-exp(-CJ.l(?' )Hl)][E{À}- Eg1] cl),
(2)
porteurs augmente avec la température, d'où une
g
dégradation de la tension de diffusion et donc une
. - pour la deuxième cellule:
baissede la tension de sortie. Le rendement de collecte
des porteurs subit aussi une baisse provoquée parla
(3) P1h2: ~g2 qtolÂ)[I-rV,)ltxp(-al(Â)HJ[I-txp(~a,2~\\)HJI[E~l)-E~Jd),
diminution de la longueur de diffusion de ceux-ci.
Les photons dont l'énergie est inférieure à la bande
. et Pt1 =Pthl+Pth2 pour le tandem.
interdite du matériau traversent sans être absorbés.
Cette énergie constitue les pertes par transparence.
Les cellules multi-jonctions à structure monolithique
permettent de réduire ces deux pertes mais le nombre
/
1
V
1
,
de cellules qui composent une telle structure est limitée
1/
1
1
par deux contraintes importantes: l'une a pour origine
1/
1/
1
le désaccord de maille des matériaux impliqués.l'autre
/
1
/
1/
provient du fait qu'au point de fonctionnement les
1
deux cellules sont parcourues par le même courant.
/
/ "
Hl
lU
1- PERTES PAR THERMISTANCE
Les pertes par thermistance sont dues à l'utilisation
Figurel : structure physique du tandem
partielle de l'énergie du photon pour la création des
Cellule' : GaAs
pairs électron-trous. Un grand nombre de photons
Cellule2 : H9042Cdo5sTe
Nous avons calculé les' énérgies
perdues
par
absorbés possèdent une énergie plus grande que celle
thermistance dans le tandem et les deux cellules qui
nécessaire pour la création des porteurs. L'énergie
nécessaire pour la création des porteurs est égale
la composent. Nous avons confiné les résultats dans le
tableau(3) et tracé la courbe des puissances perdues
à la largeur de la bande interdite (gap). L'excès de
par thermistance pour le tandem et les deux cellules
l'énergie du photon est perdue sous forme de chaleur.
en fonction de ·l'énergie du photon figure(2). Le
L'expression suivante permet d'évaluer cette perte [3].
rayonnement utilisé est le AM 1 (annexe2) [4].
P
= ~q4>o0\\ )[l-r(;~ )IJ- exp(. CtC\\ )H)lE.(;~)- Eg)dJ!
th
Cellules
Puissances perdues par thermistance(mW/cm')
.
(1)
GaAs
19,56
cDo(l...) :flux de photons incident
r(À) : coefficient de réflexion
H9o."CdosJe
9,63
a (À) : coefficient d'absorption de la cellule.
Tandem
29,19
H : épaisseur de la cellule.
Tableau 3: puissance perdue par thermistance dans le
E(À) : énergie des photons incidents.
tandem et les deux cellules qui la composent
36
Rev. CAMES- Série A, Vol. 04/2006
Sciences et Médecine
700' ---.-----. "'-'-'" ...__ .-'.
......".-._..
600
500
N
E
u
~ 400
E
.
...ooë..g 300coCIl
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's
lL
200
100
o
-r---r---~-._-:_----~ +-.----..-~- .:_;
0,05 0,2
0,4
0,7
0,8
1
1,2, 1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6 .3,8
4 ..
E(ev)
figure 2: Courbes comparatives des puissances perdues par thermistance (Pth) dans le tandernl l ) et dans les cellules
GaAs(2) et H9o.42Cdo.sBTe(3)
Tandem (1) Pth
GaAs (2) Pth 1
H9o,41Cdo,5sTe (3) Pth2
Pth =Pth 1+Pth2,
11- PERTES PARTRANSPARENCE
Plus le gap est petit, plus la portion du spectre de l'énergie utilisée dans la conversion photovoltaïque est làrge
[5]. Les matériaux dont la bande interdite (gap) est petite absorbent une très grande partie de l'énerqie reçue et par
conséquent les pertes par transparence restent faibles.
L'énergie (P ) perdue par transparence est donnée par la relation (4).
{[
.
Pin: puissance incidente du rayonnement.
Nous avons répertorié dans le tableau suivant les pourcentages des énergies absorbées(P b ), transmises(P ) et
.
a s
tr
perdues par thermistancelj').
Cellules
1'.,)%)
1',,(%)
P'h(%)
1'",(%)
GaAs
63,4U
34.6U
20.32
22.2U
Ilg"A2 Cdo,,; l'e
29.00
5.54
IO.OU
5.60
Tandem
92,40
5,54
30,)2
27.80
Tableau 4: pourcentages des énergies absorbèeslê
), transmises(P ) et perdues par thermistance(P )
abs
tr
th
Pm:puissance fournie par la cellule
.
Rev. CAME~ - Série A, Vol. 04/20.06
37
Sciences et Médecine
-
--- --·--·-----l
--------------------~--------------~--
1600 - , - - - - - - - - - - ---.----------.-..-.--.------.---.--.-------------.-.-'-'-l
i
i
1
1400 -
i
i
~ 1200
i
i
C\\l
E
i 1
u
~ 1000
E
....
0
0
1
1
800
~
QI
U
c
1
1
600
III
III
1
1
.!!!
':::l
Q.
400
1
:
200
1
1
1
O-l"-_---1-+--+-+---+---+-+---+--f---;---+-+---+---i-+---+--t--_+_~
Ç)~
i
Ç)'}- Ç)~ Ç):- Ç)'?
" "'}- ,,~ ,,"? ,,'?
Ç)'
1
E(ev)
1
________ -.J
Figure 3: Energie absorbée (2) et transmise (1) par le tandem en fonction de l'énergie du photon
Ces différentes données montrent que les énergies
par celles liées à la transparence, à la thermistance et
absorbées dans les cellules GaAs et H90,4/do.saTe
aux phénomènes de recombinaison.
'..
. représentent respectivement 63,40% et 29,00%. Ces
énergies peuvent être reparties en trois groupes:
CONCLUSION
• 20,32% et 10,00% de ces énergies sont perdues par
L'évaluation des· deux pertes a montré que les
thermistance respectivement dans les cellules GaAs
pertes par thermistance sont les plus importantes.
et H90,42Cdo.saTe ;
• Environ 22,2% et 5,60% représentent les contributions
En effet environ 30,32% de la puissance incidente
.. des cellulesGaAs et H90,42CdO,SaTe au rendement fourni
sont perdues par thermistance contre 5,54% pour les
par le tandem;
.
pertes par transparence.
• 20,88% et 13,40% peuvent être attribuées à d'autres
pertes notamment celles liées aux phénomènes de
L'optimisation du tandem a été faite en supposant
· recombinaison respectivement dans les cellules GaAs
que la température reste constante et égale à 3000 K
et H90,42Cdo.saTe,
[1]. ls cependant on considère les variations de
L'analyse de ces résultats montre que les pertes
température dues à l'effet Joule on pourrait mesurer
dans les photopiles sont essentiellement constituées
leur impact réel sur les performances du tandem.
ANNEXE 1
dx xfe
cellule GaAs
cellule Hgn,42C dO,52Te
®
CE)
s1p~
s!p
Hal
Hdl
Na2
Nd2
3
1
4
1 .:;
6
1
i 2 i
.
.
1
1
.
1
1
ill>
'1' ,..,
;i 1
Ji..
v3
y4
yr5
.'
38
Rev.CAMES - Série A, Vol. '04,2006
Sciences et Médecine
ANNEXE2
SPECTRE AMl[4]
pm (mW/ À (um)
cm
.
')
1
0,02
1
0,3104
1
3,7
10,3881
1
21,32
1
0,5174
'.55,7
1
0,7761
'.
86,01'
1,5523
,
~------+------+------+------+------+------+-------+------+------+---------~
1
0,03
1
0,3124
1
3,91
1
0,3911
1
22,14
,
0,5229
1
57,04
,
0,7885
1
87,18
l
,6024
,
~------+------+------+------+------+------+-------+------+------+---------~
1
0,04
'. 0,3144
1
4,13
1
0,3942
1
22,99
1
0,5284
1
58,4
1
0,8012
1
88,32
1
1,6558
,
~------+------+------+------+------+----~-+-------+------+------+---------~
1
0,06
1
0,3164
1
4,38
1
0,3974
,
23,86
,
0,5341
1
59,66'
0,8143
1
89,40'
1,7129
,
~------+------+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,09
1
0,3184
1
4,66
1
0,4006
1
24,73
1
0,5399
1
61,00
1
0,8279
1
90,40
1
1,7741
1.
~------+--_---+-----_+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - . i
1
0,13
1
0,3205
1
4,99
1
0,4038
1
25,61
1
0,5458
1
62,28
1
0,8419
1
91,03
Il,8398
1
~------+------+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,19
1
0,3225
1
5,35
1
0,4071
1
26,49
,
0,5519
1
63,08
1
0,8564
,
91,16
1
1,9106
1
~------+------+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,24
1
0,3246·
1
5,74
1
0,4105
,
27,39
1
0,5581
1
63,86
1
0,8715
1
91,49
1
1,9870
1
~------+------+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,31
1
0,3268
1
6,14
1
0,4139
1
28,3
,
0,5645
1
64,61
1
0,8870
1
92,09
1
.2,0699
,
~------+------+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,38
1
0,3289
1
6,56
1
0,4174
1
29,24
1
0,5709
,
65,38
1
0,9031
1
92,74
1
• 2,1599
,
,~------+------+------+------+------+------+-------+-- - - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,46
1
0,3311
1
6,99
1
0,4209
,
30,21
"
0,5776
1
66,18
1
0,9199
1
93,40
1
2,2580
,
t- - - - - - - +- - - - - - +- - - - - - +- - - -: - - +- - - - - - +- - - - - - +- - - - - - - +- -~- - - - +- - - - - - +- - - - - - - - - ;
1
0,55
1
0,3334
1
7,42
1
0,4245
1
31,20
1
0,5844
,
66,69
1. 0,9372
'
94,04
1
2,3656
1 .
t - - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,64
1
0,3356
1
7,85
1
0,4282
1
32,22
,
0,5913
1
67,28
1
0,9553
1
94,44
1
2,4839
,
t - - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - " - - - - - - - - ;
1
0,74
1
0,3379
1
8,29
1
0,4319
,
33,24
,
0,5985
,
68,05
1
0,9740
1
94,56
1
2,6146
1
t - - - - - - - + - - - - - - T - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,85
1
0,3402
1
8,74
1
0,4357
1
34,28
,
0,6058
1
69,22
1
0,9935
94,61
1
2,7599
. 1
'
~------+------+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
0,96
1
0,3426
1
9,23
1
0,4396
1
35,34
1
0,6132
,
70,48
1
1,0137
'
94,67
1
2,9223
1
t-------+------+------+------+------+------+-~-----+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
1,08
1
0,3446
1
9,77
.1
0,4435
1
36,42
'
0,6209
1
71,85
1
1,0349
1
94,78
1
3,1050
1
t-------+-~----+------+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
1
1,2
1
0,3473
1
10,34
1
0,4475
1
37,52
1
0,6288
,
73,19
1
1,0569
1
94,96
1
3,3120
1
t-------+------+-~----+------+------+------+-------+--- - - - + - - - - - - + - - - - - - - - - ;
,
1,32
1
0,3498
'.
10,95
1
0,4516
1
38,63
. ,
0,6368
1
74,5
1
1,0799
1
95,23
1
3,5486
,
t-------+------+------+------+------+------+-------+--~ - - - + - - - - - - + - . - - - - - - - - ;
l '
1,45
1
0,3523
,
11,6
1
0,4557
'
39,77
1
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1
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1
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1
1,59
1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
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,
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À= longueur d'onde
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