APPLICATIONS  |  MICROCELLULES DE CIGS

RÉSULTATS          CALIBRATION ABSOLUE          IMAGERIE GLOBALE          PRODUITS LIÉS


 

Les cellules solaires à couche mince à base de Cu(In,Ga)Se2 (ou CIGS) est l'un des candidats favoris pour la nouvelle génération de dispositifs photovoltaïque. Le CIGS possède une absorption élevée et une bande interdite directe en plus d'être stable sous un éclairage à long terme. Une efficacité supérieure à 20% à été atteinte par plusieurs groupes de recherche sur des cellules typiques de CIGS polycristallin. Même si encourageante, cette efficacité est encore en dessous de la limite théorique de Shockley-Queisser. Cela peut être en partie attribuée aux inhomogénéités de la cellules provenant de sa nature polycristallin qui brouille la relation entre les performances globales et les propriétés des matériaux. Pour quantifier l'impact de la morphologie sur l'efficacité de la cellule, l'étude des variations spatiales de ses différentes propriétés est primordiale.

Dans cet esprit, des chercheurs de l'
IRDEP (Institut de Recherche et de Développement sur l'Énergie Photovoltaïque) ont étudié une microcellule de CIGS (diamètre de 35
 μm) par imagerie de photoluminescence (PL) et d'électroluminescence (EL) résolue spatialement et spectralement [1]. Pour mener à bien ces expériences ils ont utilisé un imageur hyperspectral (IMA™) avec une résolution spectrale de 2 nm et une résolution spatiale inférieure à 2 μm. Un puissance mètre a été employée pour les mesures EL avec Vapp = 0.95 V. Un laser 532 nm (laser Genesis, Coherent) a été utilisé pour les mesures de PL (excitation de 580 soleils). La totalité du champ de vue sous l'objectif du microscope était excité et le signal provenant d'un million de point est recueilli simultanément (voir la section modalité d'imagerie globale ci-dessous pour plus de détails).

FIG. 1 (a) et (b) présente des images de PL et EL de la microcellule de CIGS. En alliant leur méthode breveté de calibration absolue (voir section plus bas) à la loi de Planck la généralisée, les chercheurs de l'IRDEP ont été en mesure d'extraire la séparation quasi-niveau de Fermi (Δμ
eff) (voir la Fig. 1 (c) et (d)), séparation qui est directement liée à la tension maximale de la cellule. Avec l'aide de la relation de réciprocité entre les cellules solaires et les LEDs, l’efficacité quantique externe (EQE) peut être déduite à partir des images EL.

Ces résultats montrent que les propriétés fondamentales des microcellules telles la séparation du quasi-niveau de fermi et, potentiellement, l’efficacité quantique externe sont accessibles à l'échelle du micromètre sur toute la surface de l'échantillon.


[1] Delamarre A. et al., Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells, Progress in Photovoltaics10, 1002, (2014).

CALIBRATION ABSOLUE SPECTRALE ET PHOTOMÉTRIQUE

La plupart, si ce n’est pas l’ensemble des techniques de caractérisation en luminescence produisent des données en unités arbitraires. Une interprétation profonde de ces résultats est souvent limitée par ce manque d'information. C’est dans cet esprit que des chercheurs de l’IRDEP ont développé une méthode puissante pour la calibration spectrale et photométrique. Avec cette technique, ils sont en mesure de déterminer le nombre absolu de photons d'une énergie donnée émis en chacun des points de la surface de leur échantillon. En effectuant cette calibration, ils peuvent étudier en profondeur la loi de Planck et les relations de réciprocité entre l’efficacité quantique externe (EQE) d’une cellule solaire et son émission EL à une tension donnée [1]. Ainsi, la calibration absolue des données hyperspectrales fournit un moyen direct pour extraire les variations spatiales de plusieurs propriétés telles que la tension en circuit ouvert (Voc), les courants de saturation et l’EQE.

Pour effectuer une calibration absolue et mesurer le nombre de photons émis, deux étapes sont nécessaires [2]. Tout d'abord, pour chaque longueur d'onde de la région spectrale d'intérêt, une calibration relative est réalisée sur une aire donnée en couplant une lampe halogène calibrée à une sphère intégrante. Cette configuration procure une sortie spatialement et spectralement homogène connue qui permet la correction des fluctuation du système. Ensuite, une calibration absolue est effectuée pour une longueur d'onde donnée sur un point de l'échantillon. Pour ce faire, la sortie d’un laser fibré est imagée et comparée avec l'intensité mesurée avec un puissance mètre. Enfin, en combinant la calibration relative sur l’ensemble de l'échantillon et de la plage spectrale avec la calibration absolue à une longueur d'onde et en un point donné, on peut obtenir la calibration absolue sur la totalité de l'échantillon en faisant une extrapolation pour chaque longueur d'onde.


[1] Rau, U., Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cellsPhysical Review B 76, (2007).
[2] Delamarre A. , Paire M., Guillemoles J.-F.  and Lombez L., Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cellsProgress in Photovoltaics, (2014).

MODALITÉ D'IMAGERIE GLOBALE

Tel qu’indiqué précédemment, cette plate-forme hyperspectrale permet l'acquisition du signal provenant de la totalité du champ de vue sous l’objectif de microscope, longueur d'onde après longueur d'onde. En utilisant un capteur mégapixels, l'acquisition d'images filtrées fourni des informations spectrales provenant de millions de points à la surface de l'échantillon. De par sa conception, cette modalité nécessite un éclairage uniforme sur l'ensemble du champ de vision. Lorsque comparé à un système confocale typique en photoluminescence où l'excitation se fait en un seul point (~1 μm2), laissant ainsi la région environnante au repos, l'illumination globale évite la recombinaison des porteurs en raison de éclairage localisé. En effet, l’isopotentiel créé dans la modalité d’illumination globale empêche la diffusion de charges. En configuration confocale, la diffusion latérale des porteurs vers les régions plus sombres d'un échantillon a pour effet de réduire le signal de PL donc, la puissance d'excitation doit être considérablement accrue afin d'observer le signal. Cette densité de puissance élevée est très loin de ce qu’un matériau photovoltaïque expérimentera dans des conditions réelles. En fait, la densité de puissance utilisée en microscopie confocale atteint habituellement 104 soleils, densité très loin des conditions de fonctionnement d'un dispositif photovoltaïque, ce qui complique grandement l'interprétation des résultats. L’éclairage homogène utilisé pour la modalité d'imagerie globale permet de réaliser des expériences de PL dans la plage de 1 à 500 soleils qui est dans la gamme de mode de fonctionnement réaliste des cellules photovoltaïque à concentration.

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