Simulation et optimisation des cellules solaires monolithiques a double heterojonctions, a base de cigs utilisant le logiciel atlas-silvaco

Abstract

الملخص (بالعربية) : لقد جذبت الخلايا الشمسية المكونة من الطبقات الرقيقة (CIGS) الاهتمام الكبير في الآونة الأخيرة في التطبيقات الكهروضوئية, و ذلك بفضل خصائصها الكهربائية الممتازة. حيث تجاوز مردودها الكهربائي 22٪ في السنوات الأخيرة. ولكن من بين الأسباب التي تعيق تحسين هذا المردود هو عدم الاستغلال الكامل للطيف الشمسي. في هذا السياق ، تم تطوير مفهوم آخر ، يسمى الخلايا متعددة الوصلات ، والتي تقوم على التحويل متعدد الأطياف ، مما يؤدي إلى استغلال أفضل للطاقة الشمسية. يدور عملنا حول هذا المحور ، وهو محاكاة وتحسين باستخدام التطبيق (Atlas) ، لخلية شمسية مزدوجة الوصلات متجانسة في CIGS/CIGS من أجل تصميم خلية كهربائية مثالية واستنباط العوامل الكهروضوئية المثلى. بدءا ، تم إجراء محاكاة لخليتين من الخلايا الفرعية بشكل فردي ومقارنتهما بنتائج أخرى تم نشرها في المجلات العلمية من أجل التحقق من دقة النماذج ومعايير المحاكاة المستخدمة. و من ثم ، تم تحسين سمك الطبقة الماصة CIGS ونطاق الفجوة لكل من الخلايا الفرعية من أجل الحصول على أفضل تكوين لهيكل الخلايا الشمسية الترادفية مما يوفر أفضل كفاءة تحويل ممكنة. أفضل خلية الشمسية الترادفية CIGS/CIGS يبلغ التياركهروضوئي 18.82 مل امبر/سم2 ، فرق كمون دائرة كهربائية مفتوحة 1.84 فولت ، عامل تعبئة 82.54٪ وكفاءة تحويل 27.03٪. هذا يتوافق مع السمك المثالي 0.18ميكرمتر و 3.2ميكر متر على التوالي لطبقة CIGS الماصة للخلية العلوية والسفلية ، في حين تم الحصول على فجوة نطاق جيد من 1.68 evالكترفولت و 1.13 ev على التوالي لطبقة CIGS الماصة من الأعلى والأسفل. الكلمات المفتاحية : الخلايا الشمسية الترادفية ، الكالكوبرايت ، متجانسة ، CIGS ---------------------------------------------

Résumé (en Français) :

Les cellules solaires en couches minces à base de CIGS attirent plus d’attention récemment dans des applications photovoltaïques, grâce à leurs propriétés électriques intéressantes. En effet, le rendement de ces cellules solaires a dépassé les 22% ces dernières années. Une des raisons la plus importante qui limitent l’amélioration de ce rendement est les pertes dues à la thermalisation et non absorption des photons. Dans ce contexte, un autre concept a été développé pour les cellules solaires à multijonctions, qui reposent sur la conversion multispectrale et conduit à une meilleure exploitation du spectre solaire. Notre travail est focalisé autour de cet axe ; une simulation et une optimisation moyennant le simulateur Atlas-Silvaco, d’une cellule solaire monolithique à double hétérojonctions structurée CIGS/CIGS a été effectuée, dans le but de concevoir une structure ayant un rendement électrique optimal et déduire ses paramètres photovoltaïques optimaux. En premier temps, une simulation de deux sous cellules a été effectuée individuellement et comparée par rapport à d’autres résultats publiés dans la littérature pour tester et valider la précision des modèles et des paramètres de simulation utilisés. Ensuite, on réalise une optimisation de l'épaisseur de la couche absorbante CIGS et sa bande interdite pour chacune des sous cellules, afin d’obtenir la meilleure configuration de la structure d’une cellule solaire tandem donnant un meilleur rendement de conversion possible. La meilleure configuration de la cellule solaire tandem CIGS/CIGS présente une densité de courant de court circuit de 18.82mA/cm², une tension en circuit ouvert de 1.84V, un facteur de forme de 82.54% et un rendement de conversion de 27.03%. Cela correspond aux épaisseurs optimales de 0.18μm et 3.2μm respectivement, pour la couche absorbante CIGS de la cellule supérieure et inferieure, tandis qu’une bonne combinaison les bandes interdites de 1.68eV et 1.13eV a été obtenu respectivement pour la couche absorbante CIGS de la cellule supérieure et inferieure. Les mots clés : Cellule solaire tandem, chalcopyrite, monolithique, CIGS, Silvaco.

---------------------------------------------

Abstract (en Anglais) :

Thin-film solar cells based CIGS have attracted more attention recently in the photovoltaic applications, thanks to their interesting electrical properties. Indeed, the efficiency of these solar cells has exceeded 22% in recent years. One of the reasons that limit the improvement of this efficiency is losses due to thermalization and not absorption. In this context, another concept has been developed, called multi-junction cells, which are based on multi-spectral conversion, leading to better exploitation of the solar spectrum. Our work focused around this axis, a simulation and optimization using an Atlas-Silvaco simulator, of a monolithic double junction solar cell in CIGS/CIGS in order to design a structure with optimal electrical efficiency and deduce the optimal photovoltaic parameters has been performed. Firstly, a simulation of two sub-cells cells was done individually, and compared them with other results reported in the literature, in order to test and validate the precision of the models and simulation parameters used. Secondly, optimization of the CIGS absorbent layer thickness and its band Gap for each of the sub-cells, in order to obtain the best configuration of the tandem solar cell structure, giving the best possible conversion efficiency has been done. The best CIGS/CIGS tandem solar cell configuration has present a short circuit current density of 18.82mA/cm², an open-circuit voltage of 1.84V, a fill factor of 82.54% and conversion efficiency of 27.03%. This corresponds to the optimal thicknesses of 0.18μm and 3.2μm respectively for the CIGS absorbent layer of the top and bottom cell, while a good combination band Gap of 1.68eV and 1.13eV was obtained respectively, for the CIGS absorbent layer of the top and bottom cell. Keywords : Tandem solar cell, chalcopyrite, monolithic, CIGS.