APPLICATIONS  |  CELLULES SOLAIRES DE GaAs

RÉSULTATS          CALIBRATION ABSOLUE          IMAGERIE GLOBALE          PRODUITS LIÉS


 

L'arséniure de gallium (GaAs) est l'un des composés semi-conducteurs III-V les plus couramment utilisés pour les applications photovoltaïques. Cela peut être attribué à sa grande mobilité d'électrons, sa bande interdite directe et au bon contrôle de ses mécanismes de croissance. Les dispositifs de GaAs a jonction unique atteignent aujourd'hui un rendement approchant 30%. Le GaAs a déjà été largement étudié, et est devenu rapidement un système de référence pour les cellules solaires à couches minces. Pour étudier les avantages et les inconvénients d'une nouvelle plate-forme d'imagerie hyperspectrale basée sur les réseaux de Bragg en volume, les chercheurs de l'IRDEP (Institut de Recherche et de Développement sur l'Énergie Photovoltaïque) ont caractérisé des cellules de GaAs en utilisant cette plate-forme (IMA™).

Ils ont obtenu avec succès des images résolues spectralement et spatialement de photoluminescence (PL) d'une cellule solaire standard de GaAs de l'Institut Fraunhofer des systèmes énergétiques solaires (ISE). Un laser 532
 nm a été utilisé pour éclairer de façon homogène l'ensemble du champ de vision sous un objectif de microscope, ce qui permet de récolter le signal provenant d'un million de points simultanément. Cette modalité d'illumination globale (voir section ci-dessous pour plus de détails) est une solution efficace contre le problème de la diffusion latérale des charges et permet d'éviter des artefacts liés à la rugosité de l'échantillon, deux problématiques rencontrées dans l’imagerie hyperspectrale point par point. La dimension des images collectées peut atteindre jusqu'à quelques millimètres carrés, en fonction du grossissement de l'objectif.

Avec l'aide d’une méthode brevetée de calibration absolue spectrale et photométrique
(voir section plus bas) développée par l’IRDEP, il est possible de déterminer le nombre absolu de photons émis par chaque point de la surface d'un échantillon, et ce, pour chaque longueur d'onde. Cette caractéristique unique permet aux chercheurs d'obtenir une carte de la séparation du quasi-niveau de fermi  (Δμeff) de la cellule, directement à partir des images de PL. La séparation du quasi-niveau de fermi est d'un grand intérêt car elle est directement liée à la tension maximale pouvant être atteinte dans une cellule et aux courants de saturation. FIG. 1 présente la carte obtenue de Δμeff/q  [1,2]. La séparation du quasi-niveau de fermi mesurée est Δμeff = 1,1676 ± 0,010 eV, avec une petite baisse près du contact électrique (ligne bleue verticale au milieu de la figure 1) et des limites extérieures de la cellule. Les résultats étant en accord avec les multiples études trouvées dans la littérature sur le GaAs, les chercheurs sont maintenant confiants quant à l'exactitude de leur méthode de calibration absolue et les techniques hyperspectrales employées.

Basé sur ces résultats positifs, la prochaine étape est d'étudier avec la même plate-forme des matériaux avec des propriétés spatiales inconnus. Différentes notes d'application sur la caractérisation de CIS, pérovskite et CIGS se trouvent dans la section photovoltaïque du site.

[1] Delamarre A., Lombez L. and Guillemoles J.-F., Contactless mapping of saturation currents of solar cells by photoluminescence, Appplied Physics Letters, 100, 131108, (2012).

[2] Delamarre A., Lombez L., Guillemoles J.-F., Characterization of solar cells using electroluminescence and photoluminescence hyperspectral images, Journal of Photonics for Energy, 2, 027004 (2012).

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 cells, Physical 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 cells, Progress 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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Des cellules photovoltaïques aux matériaux avancés, notre microscope hyperspectral en photoluminescence IMA™ PL offre une qualité d'image inégalée.

 

IMA™  EL

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