pdfSimulation d’une cellule solaire en couche mince à base de
Cuivre-Zinc-Étain Sulfure/Séléniure Cu2ZnSn(S,Se)4


Abdelkader BENMIR1,* et Mohamed Salah AIDA2
1Univ Ouargla, Faculté des Sciences Appliquées, Lab. Génie Électrique, Ouargla 30 000 Algérie.
2Laboratoire des Couches Minces et Interfaces, Université Mentouri Constantine, Algérie.
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RÉSUMÉ : L’objectif de ce travail est de faire une simulation d’une cellule solaire photovoltaïque en couche mince à base de Cu2ZnSn(S,Se)4 permettant de relier les caractéristiques de cette cellule aux paramètres des matériaux en vue d’améliorer ses performances. Il est trouvé que, pour étaler la zone de charge d’espace sur les deux couches de la jonction, les concentrations de dopage de la couche fenêtre en CdS et de la couche absorbeur en Cu2ZnSn(S,Se)4 doivent être de l’ordre de 1015cm-3 et 1014cm-3 respectivement. En outre, les performances de la cellule sont presque invariables tant que l’épaisseur de la couche fenêtre est inférieure ou égale à la largeur de la zone de charge d’espace. Mais, dès qu’elle dépasse cette largeur, une légère réduction de ces performances est observée. Cependant, la couche absorbeur a une valeur optimale de l’épaisseur de l’ordre de 3μm ; elle est égale à la largeur de la zone de déplétion de son coté qui correspond aux valeurs des concentrations de dopage indiquées ci-dessus. Une valeur optimale du gap de l’absorbeur de 1.5 eV est obtenue. Cette valeur est le compromis entre la diminution de la densité de courant de court-circuit et l’augmentation de la tension de circuit ouvert avec l’augmentation du gap. Cela conduit à un rendement maximal de la cellule de 12.3%.

MOTS-CLÉS : Cellule solaire en couche mince, Simulation, CZTS, Cu2ZnSn(S,Se)4, Optimisation.

ABSTRACT
The aim of this work is to do a simulation of a Cu2ZnSn(S,Se)4 thin film photovoltaic solar cell in order to link the characteristics of this cell to the materials parameters in order to improve its performances. It is found that, to spread the space charge zone on both layers of the junction, the doping concentrations of the CdS window layer and the Cu2ZnSn(S,Se)4 absorber layer should be in order of 1015cm-3 and 1014cm-3 respectively. Furthermore, the cell performances are almost invariables while the thickness of the window layer is equal to or less than the width of the space charge zone. But, as soon as it exceeds this width, a slight reduction in these performances is observed. However, the absorber layer has an optimal value of the thickness in the order of 3μm, which equal to the width of the depletion zone of its side that corresponds to the values of doping concentrations given above. An optimum value of the absorber gap of around 1.5 eV is obtained. This value is the compromise between the decreases of the short circuit current density and the increases of the open circuit voltage with the increases of the gap. This leads to a maximum cell efficiency of 12.3%.
KEY WORDS: Thin film solar cell, Simulation, CZTS, Cu2ZnSn(S,Se)4, Optimization.

1. Introduction
L’énergie est listée comme la première priorité de l’humanité pour les 50 années prochaines. Elle est largement utilisée dans l'industrie, le transport, la communication, l'agriculture et la vie quotidienne.
La consommation mondiale de l'énergie est actuellement de l’environ de 15 térawatts (TW). Comme la population mondiale augmente continuellement de façon exponentielle, les besoins en énergie augmentent également et il est prévu d’être le double de celui d’aujourd’hui pour atteindre le 30 TW en 2050 [1].
Le besoin en énergie est en grande partie satisfait par les énergies fossiles et fissiles qui sont des ressources de disponibilité limitée.
La combustion des combustibles fossiles crée également la pollution de l’environnement par échappement des gaz tels que : CO2, NO2, CO, SO2, etc. Ce qui est responsable des pluies acides et du réchauffement de la planète, et le nucléaire présente des risques d'accidents graves.

Sur la base des consommations actuelles et des taux de croissance, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) a prédit la date prévisible de l’extinction des ressources stock : 2040 pour le gaz et le pétrole, 2080 pour le nucléaire classique et 2200 pour le charbon [2].
Par conséquent, la nécessité de l'heure est de trouver et d'exploiter des sources d'énergie renouvelables, non polluantes, qui remplacent les sources d'énergie conventionnelles. Parmi ces différentes sources d'énergie renouvelables connues aujourd'hui, l'énergie solaire est l'une des sources d'énergie la plus abondante, propre et efficace pour l'humanité.
L’énergie solaire photovoltaïque (PV) est l’énergie électrique résultat de la conversion direct du rayonnement solaire moyennant d’un dispositif appelé "Cellule solaire" basé sur un effet dit "Effet photovoltaïque".
Les cellules solaires photovoltaïques (PV) présentent beaucoup d’avantages. Elles sont élégantes, non polluants, silencieux et sans pièces rotatives.
La production de l'électricité photovoltaïque répond actuellement à moins de 0,1% de la demande mondiale d'électricité [3]. Ceci est dû principalement à la différence du coût entre les technologies solaires et les technologies les plus conventionnels à base de carbone.
Plus de 85% de l’industrie photovoltaïque (PV) est actuellement dominée par la technologie à base de silicium monocristallin et polycristallin (multicristallin) dite de première génération [3], vu la stabilité et le rendement record de cellules solaires PV à base de ces deux matériaux semiconducteurs ; elles sont de l’ordre 25,0% et 20,4% respectivement [4]. On note, aussi, le haut développement de la physique et la technologie du silicium notamment en microélectronique.
Cependant, cette technologie repose sur un matériau absorbant à bande interdite indirecte, nécessitant ainsi une couche épaisse pour absorber une fraction importante du rayonnement solaire incident (entre 100 μm et 300 μm en supposant qu'il n’y a pas de piégeage de la lumière incorporée dans la conception de la cellule).
En outre, puisque les joints de grains sont actifs en tant que centres de recombinaison dans les technologies à base de Si, des substrats monocristallins parfaits sont nécessaires pour obtenir des modules solaires de haut rendement, ce qui contribue à l’élévation du coût de ces dispositifs photovoltaïques. D’où, comme une alternative à ces technologies photovoltaïques, les développements PV récents ont tendance de se concentrer sur les technologies photovoltaïques en couches minces.
Ces technologies photovoltaïques en couches minces dites de deuxième génération s'appuient sur des matériaux à bande interdite directs, ce qui correspond à un coefficient d’absorption élevé entre 104 et 105 cm-1 et par conséquent, une épaisseur de 1 à 5μm étant généralement suffisante pour absorber la majeure partie du rayonnement solaire incident. Des exigences réduites pour la qualité cristalline du film permettent également de réduire le coût de déposition de ces couches.
Les cellules solaires en couches minces ont une structure p-i-n pour le silicium amorphe (a-Si), ou une structure p-n à Hétérojonction pour les polycristallines : tellurure de cadmium (CdTe) et diséléniure de Cuivre, d’Indium et de Gallium (Cu(Ga,In)Se2 CIGS).
Les cellules à base de CIGS ont récemment atteint un rendement de conversion record près de 20 % aux laboratoires (NREL et ZSW) [5, 6] ; les cellules à base de CdTe possèdent actuellement la plus grande part du marché par un rendement de 16.7% [4], alors que ceux en a-Si ont un rendement entre 10 et 12% [4].
Cependant, l'utilisation des éléments relativement coûteux et rares tels que l'indium, le gallium et le sélénium ainsi que le tellurure limite la production de la prochaine génération à l'échelle térawatt de ces cellules solaires [7].
En outre, la toxicité du cadmium et le sélénium en raison de leurs impacts environnementaux entrave leur viabilité pour la production de masse [8].
Par conséquent, il est nécessaire d'explorer de nouveaux matériaux absorbeurs solaires constitués d’éléments respectueux de l'environnement, moins cher et abondants sur la crotte terrestre.

Durant ces dernières décennies, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) a été largement étudiée comme couche absorbeur utilisé dans les cellules solaires en couches minces et considéré comme le remplacement le plus approprié du Cu(In,Ga)Se2 et CdTe [9].
Cu2ZnSn(S,Se)4 est un matériau semiconducteur composé quaternaire I2-II-IV-VI4 de type p avec une structure de cristal kesterite, similaire de la structure chalcopyrite de Cu(In,Ga)Se2 [10,11]. Où les deux atomes Indium (In) et Galium (Ga) dans la structure chalcopyrite de CIGS sont remplacés par les deux atomes Zinc (Zn) et Étain (Sn) [12,13].
En outre, tous les constituants de ce matériau sont abondants sur la croûte terrestre (Cu: 50 ppm, Zn: 75 ppm, Sn: 2,2 ppm, S: 260 ppm) et ils possèdent une toxicité extrêmement faible [12,14]. D'un autre côté, dans le cas du composé CIS, le contenu de l'indium et du sélénium dans la croûte terrestre sont de 0,05 ppm ou moins [12].
En plus, ce matériau a une bande interdite directe comprise entre 1,0 eV (composé de séléniure pure Cu2ZnSnSe4) et 1,5 eV (sulfure pur Cu2ZnSnS4), dans un intervalle idéal pour le rayonnement solaire terrestre, et un coefficient d'absorption supérieure à 104 cm-1 dans le domaine visible, ce qui en fait un matériau absorbant prometteur pour les technologies photovoltaïques en couches minces [12,13].
Le rendement de conversion théorique des cellules solaires à base de ce matériau est de 32,4% selon la limite de Shockley-Queisser [15]. Plus récemment, un rendement de conversion de 9,2% pour le sulfure pur CZTS cellule solaire a été obtenu par T. Kato et al. [16]. Et dans le cas de la sulfo-séléniure CZT mixte (S,Se), un rendement record mondial de 12,6% a été rapporté [17]. CZTS films minces ont été préparés par diverses techniques telles que la pyrolyse par vaporisation [18], l'évaporation thermique [19], pulvérisation [20], le dépôt chimique en phase vapeur spray pyrolyses [21], le dépôt électrochimique [22], le dépôt photochimique [23], la sérigraphie [24] et procédé sol-gel [25].
Expérimentalement, après l’étape de déposition vienne l’étape de caractérisation optique et électrique de la cellule. La caractérisation est une étape nécessaire pour s’informer sur les paramètres des différentes couches constituant la cellule ainsi que sur les caractéristiques photovoltaïques de la cellule considérée comme étant un dispositif.
Afin d’améliorer les performances d’une cellule solaire photovoltaïque, il est nécessaire de l’optimiser soit expérimentalement ou soit par simulation.
L'optimisation expérimentale a l'avantage d'être réelle mais elle est fastidieuse, ennuyeuse et couteuse. En plus, nous n’avons pas accès à certain paramètres de la cellule.
Tandis que l'optimisation par simulation, vu qu’elle suit un modèle mathématique plus ou moins proche du système réel, elle est facile, ne coutant pas chère et elle permet d'accéder à n’importe quel paramètre de la cellule.
Ce travail porte sur une optimisation par simulation – en suivant un modèle mathématique – des paramètres physiques et géométriques des différentes couches d’une cellule solaire photovoltaïque en couche mince à base de Cu2ZnSn(S,Se4) en vue d’améliorer les performances de cette cellule.

2. Modèle de simulation
2. 1. Structure de la cellule
La structure de la cellule CdS(n)/CZTS(p) est illustrée par la figure 1; tels que : w1 et w2 sont les expressions de la largeur de la zone de charge d’espace dans chacun des semiconducteurs données par [26], H est l’épaisseur totale de la cellule, xn= xj = wn – w1, xp= xj + w1 + w2, H = wn + wp, Hʹ = H - xp= wp - w2 et Vd = Vn – Vp est le potentiel de diffusion de la jonction.

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Et par conséquent, on peut facilement déduire le facteur de forme, FF et le rendement de
conversion, η qui sont données respectivement par [30] :

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Pour cette simulation, nous avons utilisé le langage MATLAB version R2012a (7.14.0.739).

4. Résultats et discussion

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zones de la jonction (xn, w1, H’ et w2) en fonction des épaisseurs wn et wp pour différentes concentrations du dopage Na.

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valeur maximale du gap de la couche absorbeur ne dépasse pas 1.5eV. Donc, la valeur optimale du
gap EgCZTS est égale à 1.5 eV qui correspond à un rendement de conversion de 12.3 %.

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Références
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