Etude par simulation numérique d’une cellule solaire en a-Si:H/µc-Si:H multijonction

Le travail de cette thèse a porté sur l’étude des cellules solaires en silicium en couche mince basées sur les concepts de double et triple jonctions à l’aide du logiciel Silvaco-Atlas. Nous avons d'abord étudié une cellule solaire à double jonction composée de deux sous-cellules, à savoir, la jonction a-Si:H (en haut) et la jonction µc-Si: H (en bas) empilées en série et connectées optiquement et électriquement par une jonction de recombinaison tunnel (TRJ) (c'est-à-dire n-µc-Si: H / p-µc-Si: H). Le développement et la conception de la TRJ ont été abordés en détail dans nos travaux de recherche. Les effets des paramètres tels que les concentrations en dopants et l'épaisseur de la TRJ sur la cellule solaire à double jonction sont ensuite étudiés. Les résultats simulés démontrent que le courant de court-circuit, la tension en circuit ouvert, le facteur de forme et le rendement de la cellule à double jonction sont améliorés en augmentant la concentration des donneurs de la TRJ. D'autre part, la concentration des accepteurs et l'épaisseur de la TRJ réduisent principalement le courant de court-circuit, le facteur de forme et le rendement alors que la tension en circuit ouvert varie légèrement. Cette étude montre un fort processus de recombinaison dans la TRJ, le rendement de conversion le plus élevé de 12.73% pour une TRJ optimale avec des concentrations de donneur, d'accepteur et d'épaisseur de 1020 cm-3, 4x1019 cm-3 et 10 nm, respectivement lorsque le pic du taux de recombinaison est approximativement situé au milieu de la couche p de la TRJ où les quasi-niveaux de Fermi sont proches les uns des autres. Ensuite, nous avons étudié une cellule solaire en couche mince à triple jonction avec une cellule supérieure en a-Si:H, une cellule intermédiaire en silicium amorphe hydrogéné au germanium (a-SiGe:H) et une cellule inférieure en µc-Si:H. Le rendement de conversion initial de la cellule solaire à triple jonction est de 15.79%. L'optimisation de la cellule solaire à triple jonction des épaisseurs des sous-cellules supérieure, intermédiaire et inférieure pour l'adaptation de courant, conduisant à un rendement de conversion élevé de 16.95%. Une optimisation supplémentaire avec de larges bandes interdites des sous-cellules du haut, du milieu et du bas conduit également à un rendement de conversion amélioré jusqu'à 18.25%. La performance de la cellule solaire à triple jonction dépend fortement de la densité de défaut de la cellule solaire supérieure en a-Si:H, en diminuant la concentration des liaisons pendantes dans la cellule solaire supérieure en a-Si:H, le rendement de conversion de la cellule solaire à triple jonction est amélioré jusqu'à 20.3%. L'étude globale sur les cellules solaires à triple jonction en a-Si:H/a-SiGe:H /µc-Si:H rapportée dans ce travail peut être utilisée pour l’optimisation et le développement des cellules solaires à triple jonction en a-Si:H/a-SiGe:H/µc-Si:H de haut rendement

Simulation and Optimization of Silicon Solar Cell Back Surface Field

In this paper, TCAD Silvaco (Technology Computer Aided Design) software has been used to study the Back Surface Field (BSF) effect of a p+ silicon layer for a n+pp+ silicon solar cell. To study this effect, the J-V characteristics and the external quantum efficiency (EQE) are simulated under AM 1.5 illumination for two types of cells. The first solar cell is without BSF (n+p structure) while the second one is with BSF (n+pp+ structure). The creation of the BSF on the rear face of the cell results in efficiency h of up to 16.06% with a short-circuit current density Jsc = 30.54 mA/cm2, an open-circuit voltage Voc = 0.631 V, a fill factor FF = 0.832 and a clear improvement of the spectral response obtained in the long wavelengths range. An electric field and a barrier of potential are created by the BSF and located at the junction p+/p with a maximum of 5800 V/cm and 0.15 V, respectively. The optimization of the BSF layer shows that the cell performance improves with the p+ thickness between 0.35 – 0.39 µm, the p+ doping dose is about 2 × 1014 cm-2, the maximum efficiency up to 16.19 %. The cell efficiency is more sensitive to the value of the back surface recombination velocity above a value of 103 cm/s in n+p than n+pp+ solar cell.DOI: http://dx.doi.org/10.5755/j01.ms.21.4.9565</p