Optimisation des performances des cellules solaires à bande intermédiaire à base de puits quantique GaN/InGaN

Abstract

Les cellules solaires à bande intermédiaire (CSBI) représentent une avancée remarquable dans le domaine des technologies photovoltaïques de troisième génération fondées sur les nanomatériaux. Cette génération de cellules solaires présente un potentiel considérable pour améliorer l’efficacité de conversion photovoltaïque et dépasser, dans certaines conditions théoriques, la limite d’efficacité de Shockley-Queisser. C’est dans ce contexte que nous avons entrepris une étude théorique visant à optimiser les performances des cellules solaires à bande intermédiaire à base de puits quantiques (PQs) constitués de matériaux nitrurés du groupe III (III-N), tels que GaN, InN et InGaN. L’objectif principal de ce travail est d’explorer les compromis entre différents paramètres internes et externes, notamment la taille de la structure, la position de l’impureté donneuse, le champ électrique interne induit par la polarisation, la composition en indium, la pression hydrostatique et le champ électrique appliqué, afin d’améliorer l’efficacité des cellules solaires (CS). L’étude numérique repose sur la méthode des éléments finis (MEF), utilisée pour résoudre l’équation de Schrödinger indépendante du temps en régime stationnaire, dans le cadre de l’approximation de la masse effective (AME). Une attention particulière est accordée à la contribution des trous lourds, souvent négligée dans l’évaluation des performances photovoltaïques des cellules solaires nanostructurées. Parmi les principaux résultats obtenus dans ce travail, nous pouvons citer les suivants : L’efficacité des cellules solaires à bande intermédiaire diminue lorsque la taille du puits quantique et la composition en indium varient dans le sens étudié. En revanche, la largeur de la barrière influence peu l’efficacité, notamment lorsque cette largeur atteint des valeurs élevées. Les performances photovoltaïques se dégradent avec l’augmentation de la température, indépendamment de la forme du potentiel de confinement. Par ailleurs, le profil de confinement triangulaire présente les meilleures performances par rapport aux profils rectangulaire et parabolique. À température ambiante, la cellule solaire à bande intermédiaire à puits quantique de type GaN/In₀,₄₅Ga₀,₅₅N/GaN, comportant une impureté donneuse localisée au centre du puits quantique, présente une efficacité photovoltaïque de 71,64 % pour un confinement triangulaire. En outre, le champ électrique appliqué améliore la tension en circuit ouvert (Vco), mais réduit la densité de courant de court-circuit (Jcc), ce qui peut compromettre les performances globales de la cellule solaire et diminuer son efficacité de conversion.