Optimisation numérique, par SCAPS-1D, des paramètres électriques d’une cellule solaire à base du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H)

Abstract

La modélisation numérique est utilisée pour confirmer les travaux expérimentaux et théoriques. Le but de ce travail est de simuler une cellule solaire à base de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) à couches ultraminces avec un BRL dans sa structure et de réduire les fuites de courant aux interfaces ; les résultats sont obtenus en utilisant le logiciel SCAPS-1D. Premièrement, la comparaison entre les caractéristiques J-V de la simulation et de l'expérience de la cellule solaire de structure Verre/p-(a-SiOx:H)/couche tampon-type p/i-(a-Si:H)/n-(a-Si:H)/ITO/Al montre que ces courbes sont en accord, preuve de la validité de notre modèle de cellule solaire. D'autre part, pour explorer l'impact de certaines paramètres sur les performances (JCC, VCO, FF et efficacité) de la cellule solaire, les investigations montrent que l'augmentation de l'épaisseur de la couche intrinsèque améliore les performances, tandis que la densité de défauts volumique de cette couche et la densité de défauts surfacique à l'interface couche tampon-type p/i-(a-Si:H), respectivement dans les plages [109 cm-3, 1015 cm-3] et [1010 cm-2, 5 × 1013 cm-2], n'affectent pas les performances de la cellule solaire ultrafine à base de a-Si:H. L'analyse montre également qu'avec une couche intrinsèque de 1 μm d’épaisseur, un rendement de 12,71 % (JCC = 18,95 mA.cm-2, VCO = 0,973 V, FF = 68,95 %) est obtenu. Deuxièmement, les caractéristiques J-V de la cellule solaire avec différentes réflecteur arrière (ITO, IGZO, ZnO, PCBM, TiO2 et CdS:O) ont été conçues, simulées et comparées afin de proposer le meilleur réflecteur arrière pour les cellules solaires à base de a-Si:H à couches ultraminces. Ainsi, la cellule solaire avec ZnO est la plus efficace par rapport aux autres réflecteurs arrière, avec un rendement de 17,65 % sous STC. L'épaisseur étant un paramètre qui limite les performances d'une cellule solaire, l'optimisation de l’épaisseur de la couche fenêtre p-(a-SiOx:H) montre qu'avec 5 nm, le rendement de la cellule solaire est de 18,00 % (JCC = 18,93 mA/cm2, VCO = 1,077 V, FF = 88,32 %). De plus, en faisant varier la durée de vie des porteurs de charge de l’absorbeur, nous avons optimisé l'épaisseur et la concentration en porteurs de chaque couche du dispositif sans et avec couche tampon de type n (introduite à l'interface i-(a-Si:H)/n-(a-Si:H) afin de réduire les fuites de courant à cette interface). Ces processus nous ont permis d'obtenir une efficacité maximale de 21,49% et un coefficient de température de -0,184 %/°C pour la cellule solaire à base de a-Si:H à couches ultraminces de structure Verre/p-(a-SiOx:H)/couche tampon-type p/i-(a-Si:H)/couche tampon-type n/n-(a-Si:H)/ZnO/Al. Ce travail présente une contribution à l'amélioration des performances des cellules solaires à base de a-Si:H.