APPLICATIONS  |  CELLULES SOLAIRES DE CIS

 

RÉSULTATS          CALIBRATION ABSOLUE          IMAGERIE GLOBALE          PRODUITS LIÉS


 

Le cuivre-indium disulfure  (CuInS2 ou CIS) est l’un des matériaux les plus prometteurs de la seconde génération de cellules solaires. Il est sous la loupe des scientifiques du domaine photovoltaïque depuis le début des années 90, où il présentait déjà une efficacité de conversion supérieure à 10% [1]. Son coefficient d'absorption élevé, sa bande interdite directe (1.52 eV) [2] et sa non-toxicité en font un candidat idéal pour les films en couche minces et les cellules solaires à base de points quantiques. Cependant, l'efficacité du CIS semble avoir atteint un plateau. Pour continuer à améliorer la prochaine génération de cellules à base de CIS et aller au-delà de cette limite, une compréhension claire de l'impact des méthodes de fabrication sur les propriétés des dispositifs est nécessaire.

Dans cet esprit, des chercheurs de l’IRDEP (Institut de Recherche et Développement sur l’Énergie Photovoltaïque) ont caractérisé des cellules multicristallines de CuInS2 grâce à l’imagerie en photoluminescence (PL) résolue spectralement et spatialement. Leur plate-forme hyperspectrale (IMA™) fournit une résolution spectrale en 2 nm et une résolution spatiale inférieure à 2 μm. Le dispositif est uniformément excité par un laser à 532 nm sur l'ensemble du champ de vision sous l'objectif du microscope. La figure 1 présente la carte de la PL intégrée du dispositif et la figure 2 présente les spectres de PL des régions sélectionnées sur la zone étudiée [3]. La modalité d'imagerie globale (voir section plus bas pour plus de détails) met de l’avant rapidement les inhomogénéités spatiales de l’échantillon. Avec cette technique, les chercheurs sont en mesure de monitorer spatialement plusieurs propriétés. En effet, les maxima de PL permettent d’obtenir des cartes détaillées de la fois la bande interdite et les fluctuations de la séparation du quasi-niveau de fermi [4]. Les chercheurs de l'IRDEP sont en mesures d'obtenir des cartes détaillées des propriétés optoélectroniques (EQE, Voc, etc.) de leur dispositifs grâce à une méthode unique de calibration absolue (voir section plus bas).


Bien qu'un microscope confocal couplé à un spectromètre pourrait fournir des données semblables, on peut montrer que cette technique alternative ne peut pas être pratiquée de manière réaliste (Fig. 3). Dans ce cas, le laser de 532 nm est focalisé sur le contact avant de la cellule et la cartographie PL est obtenu un point à la fois. En comparant le temps d'acquisition de l’imagerie hyperspectrale globale et de la microscopie confocale, nous voyons qu’une carte de 150 x 150 μm² à 107 W/m² ne prend que 8 minutes à acquérir avec IMA™, mais prendrait des centaines d'heures avec un microscope confocal [3].


[1] Scheer R. et al., CuInS2 based thin film solar cell with 10.2% efficiency, Applied Physics Letters, 63, (1993).
[2] Suriakarthick R., Nirmal Kumar V., Indirajith R., Shyju T.S., Gopalakrishnan R., Photochemically deposited and post annealed copper indium disulfide thin films, Superlattices and Microstructures, (2014).
[3] Delamarre A. et al., Characterisation of solar cells using hyperspectral imager, IRDEP.
[4] 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.

PRODUITS LIÉS

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