Etude par simulation numérique d’une cellule solaire en CIGS à multi-jonction par le logiciel Tcad Silvaco.

Abstract

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 Silvaco-Atlas 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.