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Photovoltaïque
M 1 section Microélectronique
1
L’industrie des cellules solaires s'est
développée autour du silicium, le
matériau le plus couramment utilisé
pour les applications terrestres en
raison de son faible coût.
les cellules photovoltaïques sont
rapidement devenues des cellules
multicouches basées sur divers
matériaux
inorganiques,
elles
présentent des rendements très
élevés, une bonne fiabilité et une
faible
détérioration
de
leur
caractéristique au cours du temps
(sur au moins 20 ans).
Cependant, depuis quelques années, cette
même industrie s'intéresse à d'autres
matériaux répondant aux normes de
rendement élevé, de poids et de durées
de vie importantes exigées par les
applications spatiales.
De nouveaux matériaux ont vu le jour,
tel que le Nitrure d’Indium Gallium «
InGaN » qui a subi des recherches
approfondies depuis 2002 en tant que
2
matériau photovoltaïque.
Les matériaux semi-conducteurs III-V
Dans l’ensemble des matériaux, les
semi-conducteurs constituent une
classe bien définie, avec des
propriétés physiques particulières
qui sont sources d’intérêt au plan
de la connaissance fondamentale
et à celui des applications. Ces
deux facteurs indissociables font
l’importance de ces matériaux,
malgré le nombre limité d’élément
et de composés semi-conducteurs.
Principalement remarquables par leurs propriétés électroniques, les semiconducteurs interviennent dans presque tous les équipements électroniques et
optiques. La plus grande partie des composants (transistors, diodes, et ce qu’on
appelle puce en générale) sont réalisés en silicium qui joue un rôle prépondérant,
sa technologie et sa connaissance théorique ont atteint des niveaux inégalés.
En électronique rapide et en optoélectronique, les propriétés du silicium sont
insuffisantes (mobilités des porteurs relativement petites
et transitions
3
électroniques indirectes au seuil d’absorption optique).
Dans de telles applications, les composés semi-conducteurs III-V sont
préférables. Les propriétés de ces matériaux sont très intéressantes pour les
performances de ces dispositifs.
Définition de semi-conducteurs III-V
Les matériaux semi-conducteurs III-V sont
des corps composés formés à partir d'un
élément de la colonne III et d'un élément
de la colonne V du tableau de la
classification périodique de Mendeliev
Ainsi
de
nombreux
composés
binaires,
ternaires et quaternaires
peuvent être réalisés.
Tableau périodique
partiel
4
Les composés binaires
es
Parmi tous les composés binaires possibles,
tous n'ont pas le même intérêt potentiel.
L'étude de leurs propriétés, et en particulier
de la structure de bandes montre que les
éléments les plus légers donnent des
composés dont laquelle la bande interdite
est large et indirecte, et dans laquelle la
masse effective des électrons est élevée.
A l'autre extrémité, les éléments
lourds comme le thallium ou le
bismuth donnent des composés à
base de Galium (GaAs, GaSb) ou
d'indium ( InP, InAs,InSb) dont les
propriétés
sont
les
plus
intéressantes.
Les composés contenant du bore, de
l'aluminium ou de l'azote entrent dans cette
catégorie; ils ont en général peu d'intérêt
pour l'électronique rapide , qui demande
des semi-conducteurs à forte mobilité de
porteurs ou pour l'optoélectronique ou
une structure de bande directe est
nécessaire pour que les transitions
optiques soient efficaces
5
Le tableau résume quelques paramètres pour différents matériaux
de la famille III-V.
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Les composés ternaires et quaternaires
L'intérêt pratique des semi-conducteurs
III-V
est
encore
considérablement
renforcé par la possibilité de réaliser des
alliages par substitution partielle de l'un
des éléments par un autre élément de la
même colonne. On sait par exemple
obtenir des alliages ternaires, ou
quaternaires qui sont identifié de la façon
suivante :
Ternaires: S'il y a substitution de 2
atomes sur l'un des sous réseaux, soit:
𝑨𝒙 𝑨‘𝟏−𝒙 𝑩
𝑮𝒂𝒙𝑰𝒏𝟏−𝒙𝑷, lorsque la composition
exacte compte peu, on écrit tout court
𝑮𝒂𝑰𝒏𝑷.
Quaternaires 1+3: S'il y a
substitution de 3 atomes sur des
sous réseaux soit :
𝑨𝒙 𝑨’𝒚𝑨’’ 𝟏−𝒙−𝒚 𝑩.
Exemple: 𝑮𝒂𝒙 𝑰𝒏𝒚 𝑨l 𝟏−𝒙−𝒚 𝑨𝒔.
Quaternaires 2+2: S'il y a
substitution de 2 atomes sur
chacun des deux sous réseaux,
soit : 𝑨𝒙 𝑨’ 𝟏−𝒙 𝑩𝒚𝑩 ‘𝟏−𝒚 .
Exemple: 𝑮𝒂𝒙 𝑰𝒏 𝟏−𝒙 𝑷𝒚𝑨𝒔 𝟏−𝒚 .
La plupart des solutions solides ainsi réalisées sont complètes, la loi de Vegard
(relation linéaire entre le paramètre de réseau et la composition) est
7
approximativement suivie, et on observe une évolution progressive
et régulière des
propriétés (dont la bande interdite et les paramètres cristallins) en fonction du taux
de substitution (composition).
8
L’Optique est la partie de la physique qui étudie les propriétés de la
lumière.
Les ondes EM sont formées d’un champ électrique E et d’un champ magnétique
B
Caractéristiques d’une onde EM
• intensité [W/m²]
La longueur d’onde est la distance
• célérité (vitesse de propagation) c [m/s] parcourue en une période :
λ= cT =
• longueur d’onde l [m]
c/f
c et l dépendent du milieu de propagatio
• fréquence f [Hz]
•v<c
•λ≤λ
9
10
Correspondance entre fréquence et couleur
11
Courbe de sensibilité de l’oeil
Maximum de sensibilité : 555 nm (vert-jaune)
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Sources de lumière
• Lumière monochromatique
C’est une lumière composée d’une seule longueur
d’onde.
Ex. : Laser
Lampe à vapeur de sodium
• Lumière polychromatique
C’est un mélange de lumières monochromatiques.
Ex. : Lumière blanche (lumière du jour, ampoule …)
Soleil, LED ...
Indice de réfraction d’un milieu transparent
Définition : n = c /v
• Indice de réfraction du vide : n0 = 1
•n>1
• nair = 1,000 3
• neau = 1,33 (ceau » 225 000 km/s)
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• nverre : 1,5 à 1,9
• n (λ) : l’indice de réfraction dépend de la couleur (sauf dans le vide)
Remarque : λ = λ0 /n
Théorie corpusculaire de la lumière
La lumière est constituée de particules élémentaires : les photons (Einstein
1905)
Propriétés du photon :
• masse nulle
• vitesse de la lumière
• énergie : E = hf
h = 6,62×10-34 J×s (constante de Planck)
14 mars 1879
18 avril 1955
14
Energie photovoltaïque
Le potentiel : énergie solaire disponible
La température en surface du Soleil est de 5800K.
Le spectre du rayonnement électromagnétique émis par ce dernier est
donc à peu près équivalent à celui d’un corps noir à cette même
température.
L’irradiance de ce rayonnement arrivant sur l’atmosphère terrestre (Total
Solar Irradiance, TSI) est de 1366 W/m2.
En traversant l’atmosphère, une partie du spectre est absorbée par les
différents gaz (O3, H2O et CO2 notamment) ou particules présents.
L’énergie solaire disponible en surface de la Terre est réduite, et ce en
fonction de la distance traversée dans l’atmosphère par le rayonnement.
Cette distance, appelée masse d’air, est fonction de l’angle d’incidence θ
du rayonnement par rapport au zénith. La masse d’air vaut :
AM =1/cosδ
15
16
Afin de standardiser les méthodes de
mesure, un spectre a été défini
comme référence internationale.
Il s’agit du spectre AM1.5G (Global),
correspondant à une masse d’air de
1.5 et un angle δ de 48.2◦.
Global signifie que le spectre tient
compte du rayonnement direct ainsi
que du rayonnement diffus.
Les spectres extra-terrestre (AM0)
et de référence avec masse d’air
(AM1.5G) sont comparés dans la
figure
L ’irradiance totale exploitable en surface
de la Terre est réduite à environ 1000
W/m2, sous forme de rayonnements dont
la longueur d’onde s’étend de 280 nm à
environ 2500 nm.

Spectres AM0 (extra-terrestre)
 AM1.5G (référence terrestre)
du
rayonnement
solaire.
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L’air masse
Le Soleil émet un rayonnement
électromagnétique compris dans
une bande de longueur d’onde
variant de 𝟎.𝟐𝟐 à 𝟏𝟎 𝝁𝒎 .
L’énergie
associée
à
ce
rayonnement
solaire
se
décompose
approximativement
ainsi :
 9% dans la bande des ultraviolets <0.4 𝝁𝒎 ,
 47% dans la bande visible 𝟎.𝟒 à 𝟎.𝟖 𝝁𝒎 ,
 44% dans la bande des infrarouges >0.8 𝜇𝑚 .Différentes constantes d'illuminat
L’atmosphère terrestre reçoit ce rayonnement à une puissance moyenne de
𝟏.𝟑𝟕K𝑾/𝒎𝟐 avec un spectre centré au voisinage de 𝝀=𝟎.𝟒𝟖 𝝁𝒎.
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Couleur
Longueur d’ondes (nm)
Rouge
622-780
Orange
597-622
Jaune
577-597
Vert
492-577
Bleu
455-492
Violet
390-455
Le spectre de lumière visible
19
O
20
La quantité d’énergie atteignant la surface terrestre n'est plus que de 𝟎.𝟗
𝒌𝑾/𝒎𝟐
Pour mesurer l'effet de l'atmosphère on utilise l'air masse (figure 2.3), défini
par
𝑨𝑴=𝟏/𝐜𝐨𝐬δ où δ représente l'angle que fait la direction du soleil
avec la verticale.
𝑨𝑴𝟎 représente le spectre solaire en dehors de l’atmosphère, sa puissance
est de 𝟏𝟑𝟔𝟕𝑾/𝒎𝟐 ,
𝑨𝑴𝟏 correspond au soleil à la verticale δ=𝟎° avec une puissance d’incidence
de
𝟗𝟐𝟓 𝑾/𝒎𝟐 ,
𝑨𝑴𝟐 est obtenu pour un angle de 𝟔𝟎° et à une puissance d’environ 𝟔𝟗𝟏
𝑾/𝒎𝟐 .
L’air masse 𝑨𝑴𝟏.𝟓 défini par l’angle 𝟒𝟖.𝟐° au dessus de l’horizon, d’une
intensité de 𝟖𝟒𝟒 𝑾/𝒎𝟐 est approprié pour les applications terrestres.
Le spectre solaire est représenté sur la figure suivante
21
22
Les cellules solaires
Introduction
L’effet photovoltaïque a été découvert par Alexandre
Edmond Becquerel en 1839. L’effet photovoltaïque est
obtenu par absorption des photons dans un matériau semiconducteur qui génère alors une tension électrique.
L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion
directe du rayonnement solaire en électricité.
La conversion photovoltaïque a été réalisée pour la première
fois dans le laboratoire Bell en 1954 sur une simple jonction
𝑷𝑵 au Silicium.
Par suite, plusieurs semi-conducteurs ont été utilisés pour cet
objectif.
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Trois processus élémentaires interviennent dans l’effet
photovoltaïque
• L’absorption de la lumière dans le matériau.
• Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques.
• La collecte des charges.
Il est donc clair qu’un matériau doit avoir des propriétés optiques et électriques
spécifiques pour permettre la conversion photovoltaïque.
Effet photovoltaïque
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Spectre solaire
Le soleil émet un rayonnement électromagnétique, sa décomposition en
longueurs d’ondes est appelée spectre électromagnétique.
Elle est en effet composée de toutes sortes de rayonnement de couleurs
différentes, caractérisées par leur gamme de longueur d’onde.
La fréquence de la lumière détermine sa couleur.
Les photons, grains de lumière qui composent ce rayonnement, sont
porteurs d’une énergie qui est reliée à leur fréquence (longueur
d’onde) par la relation :
𝒉 est la constante de Planck,
𝝂 la fréquence,
𝒄 la vitesse de la lumière
𝝀 la longueur d’onde.
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Principe de fonctionnement d’une cellule
solaire
L'effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir
directement l'énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le
biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur
des charges électriques positives et négatives sous l'effet de la lumière.
Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès
d'électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée
de type 𝑵 et dopée de type 𝑷.
Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons
en excès dans le matériau 𝑵 diffusent dans le matériau 𝑷.
La zone initialement dopée 𝑵 devient chargée positivement, et la
zone initialement dopée 𝑷 devient chargée négativement.
Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les
électrons dans la zone 𝑵 et les trous vers la zone 𝑷.
Une jonction 𝑷𝑵 est donc formée.
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En ajoutant des contacts métalliques sur les zones 𝑵 et 𝑷, une diode est
obtenue.
Lorsque la jonction est éclairée, les photons d'énergie égale ou
supérieure à la largeur de la bande interdite cèdent leur énergie aux
atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la
bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir,
engendrant ainsi une paire électron-trou.
Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la
zone 𝑵 rejoignent les trous de la zone 𝑷 via la connexion extérieure,
donnant naissance à une différence de potentiel et un courant
électrique circule.
E
Contact face avant
BC
-
Emetteur N
+ -
-
ZCE
- +
EF
BV
- +
+
+
Base P
+
Contact arrière
(a)
Base
ZCE
(b)
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Emetteur
La mise en contact d’un semiconducteur type N avec un semiconducteur
type P, entraîne une diffusion de porteurs majoritaires de chaque coté. Le
mouvement des électrons du semiconducteur type N vers le type P et celui
des trous du semiconducteur type P vers le type N équilibre le niveau de
Fermi.
le semiconducteur initialement dopé P devient chargé négativement et le
semiconducteur initialement dopé N devient chargé positivement
produisant ainsi une zone de déplétion appelée zone de charge d’espace
(ZCE).
Une différence de potentiel (Véq) s’établit à l’interface des deux
semiconducteurs créant un champ électrique orienté de P vers N qui tend
à repousser les électrons dans la région N et les trous dans la région P.
Loin de la zone de charge d’espace, les semiconducteurs restent neutres.
La figure suivante schématise le diagramme énergétique des deux
semiconducteurs avant et après leur mise en contact. Lorsque les deux
semiconducteurs sont issus d’un même matériau il s’agit d’une
homojonction, et lorsque sont issus de matériaux différents on parle d’une
hétérojonction.
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Électron
Trou
N
P
P
N
ZCE
- - + +
+
- - +
- ++
- - +
+
- +
+-
BC1
BC1
BC2
Eg1
Eg2
EF1
BV1
EF2
‐q Véq
BC2
EF1
BV1
EF2
BV2
(a)
BV2
(b)
Diagramme énergétique des deux semi-conducteurs de type P et N
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(a) avant contact (b) après contact.
Schéma équivalent d’une cellule
solaire
Éclairement
D1
D2
Is1 et Is2 : courants de saturation des deux diodes D1 et D2 en (A).
et : Facteur d’idéalité des diodes D1 et D2.
R s: Résistance série en Ω.
Rp: Résistance parallèle en Ω.
Schéma électrique équivalent basé sur un modèle de deux
diodes
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Caractéristiques I-V et performance d’une cellule photovoltaïque
Dans une cellule photovoltaïque idéale deux courants s’opposent ; le
courant photogénéré et un courant de diode appelé courant d’obscurité
dû à la polarisation du composant.
A l’obscurité la caractéristique I-V est identique à celle d’une diode
(figure I.8.a). Sous éclairement, le courant photogénéré s’ajoute à ce
courant d’obscurité et la caractéristique I-V est régie par l’équation
avec le courant photogénéré, est le courant
d’obscurité tension aux bornes de la cellule,
courant de saturation, charge élémentaire d’un
électron égale à 1,602.10-19 C, constante de
Boltzmann (8,62.105 eV.K-1) et température en
kelvin.
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L’équation I.1 correspond au fonctionnement d’une cellule idéale et découle d’un
modèle simple à une seule diode. Dans le cas réel, on ajoute plusieurs termes à
cette dernière afin de prendre en compte les différents mécanismes de
recombinaison et l’influence des résistances série et parallèle (équation I.2).
• La résistance série, correspond aux résistances entre les couches
constituant la cellule photovoltaïque.
• La résistance parallèle, est liée au court-circuit dans la cellule
photovoltaïque.
• Une ou plusieurs diodes modélisent les différents mécanismes de
recombinaison qui peuvent se produire dans la cellule photovoltaïque.
L’équation I.2 découle d’un modèle à deux diodes et correspond davantage à
l’expression d’une cellule photovoltaïque réelle. Le schéma électrique
équivalent à la cellule dans ce cas est représenté dans la figure I.7.
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Dans le schéma électrique représenté par la figure I.7, le générateur de
courant correspond au courant photogénéré. La diode D1 modélise le courant
produit par l’émetteur (région N) et la base (région P) de la cellule
photovoltaïque. La seconde diode D2, connectée en parallèle correspond au
courant de génération/recombinaison dans la zone de charge d’espace.
correspond à la charge connectée aux bornes de la cellule.
Puissance
Courant
Obscurité
Tension
Tension
Eclairement
Point de fonctionnement
(a)
(b)
la caractéristique I-V d’une cellule à l’obscurité et sous éclairement,
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(b) puissance délivrée par la cellule en fonction de la tension de
polarisation.
Caractéristique J(V) typique d’une cellule photovoltaïque sous obscurité (courbe
noire) et
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sous illumination (courbe orange) en mode générateur.
Le rendement de conversion est donné par l’expression :
Le facteur de forme, FF, caractérise la forme de la caractéristique I(V) de la
cellule entre Icc et Vco.
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37
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Rendement quantique d'une cellule en silicium cristallin
Les performances propres d'une cellule photovoltaïque sont évaluées par son
rendement quantique, c'est à-dire sa faculté à convertir les photons incidents
en paires électrons trous. Comme l'énergie d'un photon dépend de sa longueur
d'onde, la mesure consiste à balayer l'ensemble du spectre par un faisceau
monochromatique.
Deux grandeurs sont introduites, le rendement quantique externe et le
rendement quantique interne (EQE et IQE).
Le rendement quantique externe est défini comme le rapport entre le nombre
de paires électrons-trous collectées é sur le nombre de photons incidents !"
pour une longueur d'onde donnée :
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Les pertes fondamentales
Plusieurs phénomènes physiques limitent le rendement de conversion théorique
maximal à 29,8%. Dans le cas des cellules photovoltaïques en silicium, les
quatre principales causes de pertes physiques sont les suivantes :
- L’excès d’énergie :
L’excès d’énergie des photons dont l’énergie est supérieure à celle du gap (Eph >
Eg ~ 1,12
eV) est dissipé sous forme de chaleur, environ 28% de l'énergie incidente est
perdue sous cette forme.
- Le facteur de tension :
La tension maximale de circuit ouvert Voc ne peut excéder la valeur (Eg/q), à
savoir environ 1,12 V. Les recombinaisons Auger limitent également
la valeur de
40
Voc à des valeurs comprises entre 650mV et 720mV pour des cellules
photovoltaïques en silicium à haut rendement.
- L’absorption incomplète :
Les photons dont l’énergie est inferieure à celle du gap du silicium (Eph < Eg ~
1,12eV) ne sont pas absorbés et ne contribuent pas à la création de paires
électron/trou.
- Le facteur de forme FF :
Le courant varie exponentiellement avec la tension en raison des courants
de recombinaison, il est par conséquent impossible que la caractéristique
I-V soit rectangulaire. Le facteur de forme est limité à 0,89 et il ne pourra
jamais atteindre 1, valeur pour une caractéristique rectangulaire.
Les pertes technologiques
Elles sont de trois types : optiques, par recombinaisons et
résistives
a/ Les pertes optiques
Les pertes optiques empêchent l’absorption d’une partie de l’eclairement
incident. Leur principal effet sur les performances de la cellule
photovoltaïque est la réduction du courant de court-circuit Isc. Les origines
possibles sont les suivantes :
 la réflexion au niveau de la surface silicium,
 le taux d'ombrage,
 l’absorption des photons par le métal de la face
arrière
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B / Les pertes par recombinaison
Les paires électrons-trous créées doivent diffuser jusqu’a la ZCE de la
jonction p-n pour pouvoir être collectés. Cependant des phénomènes de
recombinaison apparaissent et les paires électrons-trous concernées ne
participent plus à la génération de courant.
Les principaux mécanismes responsables de la recombinaison en surface et en
volume, sont les suivants :
- la recombinaison radiative
- la recombination Shockley Read Hall (SRH), est liée à la présence de
niveaux d'énergie discrets dans la bande interdite induits par des défauts
cristallins, tels que:
 des dislocations
 des impuretés
- la recombinaison Auger,
- la recombinaison en surface,
(Le mécanisme de recombinaison est de type
SRH (Shockley Read Hall).
42
Les pertes résistives
Les pertes résistives affectent le rendement en limitant le facteur de
forme FF et peuvent être dues à :
 la résistance parallèle Rp, causée en général par des fuites sur les
bords de la cellule ou par la présence de courts-circuits au niveau de
l’émetteur.
 la résistance série Rs, qui est due à la résistivité des différents
éléments de la cellule.
Technologies pour la réduction des pertes
Dans le but de limiter les pertes exprimées dans le paragraphe précédent,
certains procédés peuvent être employés :
 la texturation de la surface : Cette opération consiste à créer une
rugosité de surface, le plus souvent par une attaque chimique de KOH.
 la passivation des faces avant et arrière: La densité de défauts ou
d'impuretés est diminuée par le dépôt d'une couche de passivation en
surface (SiNx:H, SiO2) ou par diffusion d'hydrogène en volume.
 la couche antireflets (CAR) : l'objectif de la CAR est de minimiser la
réflexion de la lumière incidente.
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Si on obtient une forme plutôt carrée, le facteur de forme sera élevé. Si au
contraire, on a plutôt une forme triangulaire, le facteur de forme sera petit et le
rendement sera donc faible.
Physiquement, ce paramètre rend compte des pertes, notamment du coefficient
d’idéalité et des résistances série et parallèle.
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Caractérisations électriques
La mesure courant-tension est la technique de
caractérisation électrique la plus simple qui
existe.
On applique aux bornes de la cellule une polarisation et on mesure le courant
délivré, à l’aide d’un source mètre Keithley 2400
En faisant varier la polarisation, on obtient une caractéristique I(V), comme
le montrent la Figure I et la Figure II pour une cellule à base d’InGaN à
l’obscurité, en échelle linéaire et logarithmique, respectivement.
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