Etude théorique des cellules solaires a base de pérovskites

Abstract

الملخص (بالعربية) : الهدف من هذه الأطروحة هو المساهمة في دراسة السلوك الكهربائي لخلية شمسية قائمة على المواد perovskites و بالتحديد الخليط (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 باستخدام المحاكاة. من اجل تحقيق هذا العمل، تم دراسة الخواص الإلكترونية والبصرية لمواد perovskites المستعملة في الخلايا الشمسية في الجزء الأول من هذه الأطروحة، مثل فجوة الطاقة المناسبة، معامل الامتصاص وثابت العازل الكهربائي لتحسين و الحصول على مردود و كفاءة جيدة لتحويل الطاقة. لقد اعتمدن في هذا الجزء، كأداة محاكاة نظرية، طريقة الموجات المستوية المعززة الخطية بكامل الكمونيات (FP-LAPW) في سياق نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) المنفذة في النظام الحسابي Wien2k لدراسة خواص الخليط (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 ، في البنية pnma/ferri بالترتيب المغناطيسي لإلكترونات الانتقال لدى عناصر المعادن النادرة. نقدم أيضًا ملخصا من الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية التي توفرها DFT وتلك التي يتم حسابها بواسطة DFT + U ،على غرار تقريب التدرج المعمم (GGA) وطريقة Becke-Johnson المعدل (MBJ) لتحسين فجوة الطاقة المناسبة لهذه السبائك ، والتي يرغب المرء في تطبيقها في الخلايا الكهروضوئية. بالإضافة إلى ذلك، نناقش ما حسبناه من النطاقات الطاقوية ونبين أن استخدام معامل Hubbard U ضروري لدقة الخصائص المختلفة لهذه perovskites التي تحتوي على ذرات لعناصر أرضية نادرة (كمثال في دراستنا La). في الجزء الثاني من هذه الأطروحة، تم استخدام الخليط (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 كطبقة ماصة )نشطة( في خلية شمسية من اجل دراسة مدى تأثير هذا الخليط على السلوك الكهربائي لهذه الخلايا الشمسية باعتباره مادة و اعدة و بديلة للسيليسيوم يساهم في التحسين من أداءات هذه الخلايا. من اجل انجاز هذه الدراسة استخدمنا برنامج SILVACO-ATLAS كآداة محاكاة، و هذا لدراسة تطور مختلف الخصائص الساكنة تيار-توتر I-V و استطاعة-توتر P-V بالإضافة الى العوامل الكهربائية التي تعرف السلوك الكهربائي لهذه الخلية المقترحة. أثبتت النتائج المتحصل عليها مدى تاثير الخليط (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 على السلوك الكهربائي للخلية الشمسية من خلال رفع آدائها مقارنة بالخلية الشمسية ذات تكنولوجيا السيليسيوم.

الكلمات المفتاحية : لخلية شمسية، المواد perovskites ، لطاقة المناسبة، معامل الامتصاص ،ثابت العازل الكهربائي ، العوامل الكهربائية.

---------------------------------------------- Résumé (en Français) : L'objectif de cette thèse est la contribution à l’étude du comportement électrique d’une cellule solaire à base des matériaux pérovskites notamment la pérovskite (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 en utilisant des logiciels de simulation adéquats. Pour effectuer ce travail, les différentes propriétés électroniques et optiques des matériaux pérovskites appliqués aux cellules solaires sont étudiées dans la première partie de cette thèse, telles que le gap d'énergie approprié, le coefficient d'absorption et la constante diélectrique pour optimiser un bon rendement de conversion d'énergie. Nous avons adopté, comme outil théorique de simulation, la méthode (FP-LAPW) des ondes planes augmentées linéarisées avec un potentiel total dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) implémentée dans le code Wien2k; et ce, pour étudier les propriétés de l'alliage (La0.25Bi0.75)2FeCrO6, dans la structure pnma en ordre ferrimagnétique des électrons de transition des terres rares. Nous présentons également une synthèse des propriétés électroniques et magnétiques fournies par la DFT et celles calculées par DFT+U, en l'occurrence de l'approximation du gradient généralisé (GGA) et l'approche de Becke-Johnson modifié (MBJ) pour optimiser le gap d'énergie approprié de tels alliages, que l'on souhaite appliquer en photovoltaïque. En outre, nous discutons nos structures de bande calculées, et nous montrons que l'utilisation du paramètre Hubbard U est essentielle à la précision de différentes propriétés de ces pérovskites contenant des atomes de terres rares (le La dans notre étude). Etant donné que la pérovskite (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 est considérée comme un matériau promoteur et alternatif au Silicium (Si) et qui améliore les performances des cellules solaires, nous l’avons utilisé dans une autre partie de la thèse comme une couche absorbante (Active) dans une cellule solaire, afin d’étudier l’influence de cette pérovskite sur la performance électrique de cette cellule. Pour réaliser cette étude, nous avons utilisé le logiciel SILVACO-Atlas comme outil de simulation, afin d’étudier l’évolution des différentes caractéristiques statiques Courant-Tension (I-V) et Puissance-Tension (P-V), ainsi que les paramètres électriques qui déterminent le comportement de cette cellule solaire proposée. Les résultats obtenus montrent l’influence de la pérovskite (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 sur le comportement électrique de cette cellule solaire en augmentant sa performance par rapport à celle en technologie Si.

Les mots clés : Cellule solaire, Matériaux pérovskites, Gap, Coefficient d'absorption, Constante diélectrique, Paramètres électriques. ----------------------------------------------

Abstract (en Anglais) : The aim of this thesis is the contribution to studying the electrical behavior of a solar cell based on perovskite materials particularly (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 perovskite, using adequate simulation software. To carry out this task, various electronic and optical properties of the perovskite materials applied to solar cells are studied in the first part of this thesis, such as the appropriate energy gap, the absorption coefficient and the dielectric constant to optimize good conversion efficiency. We adopted as theoretical simulation tool, the Linearized Augmented Plane Wave method with Full Potential (FP-LAPW) in the context of the Density Functional Theory (DFT) implemented in the Wien2k code, for the purpose of studying the (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 alloy properties in the pnma structure with ferrimagnetic order of transition electrons of rare earth elements. We also present a synthesis of the electronic and magnetic properties provided by DFT and those calculated by DFT+U, in this case, the Generalized Gradient Approximation (GGA) and the Modified Becke-Johnson approach (MBJ) to optimize the appropriate gap energy of such alloys recommended in photovoltaics. In addition, we discuss our calculated band structures and show that using the Hubbard parameter U is essential to the accuracy of different properties of these perovskites containing rare earth atoms (the La in our study). Given that (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 perovskite is considered as a promising and alternative materiel to Silicon (Si), which improves solar cells performances, we used it in other section of thesis as an absorbent layer (Active) in a solar cell, in order to study the perovskite influence on the electrical performance of this cell. To carry out this study, we used the SILVACO-Atlas software as a simulation tool, in order to study the evolution of the different static characteristics Current-Voltage (I-V) and Power-Voltage (P-V), as well as the electrical parameters which determine the behavior of this proposed solar cell. The obtained results show the influence of (La0.25Bi0.75)2FeCrO6 perovskite on the electrical behavior of this solar cell by increasing its performance comparing to that of Si-technology.

Keywords : Solar cell, Perovskite materials, Gap, Absorption coefficient , Dielectric constant, Electrical parameters.