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WO2025056736A1 - Procédé et dispositif électronique de détermination d'un paramètre électrique d'une cellule photovoltaïque tandem, programme d'ordinateur et système de caractérisation associés - Google Patents

Procédé et dispositif électronique de détermination d'un paramètre électrique d'une cellule photovoltaïque tandem, programme d'ordinateur et système de caractérisation associés Download PDF

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Publication number
WO2025056736A1
WO2025056736A1 PCT/EP2024/075596 EP2024075596W WO2025056736A1 WO 2025056736 A1 WO2025056736 A1 WO 2025056736A1 EP 2024075596 W EP2024075596 W EP 2024075596W WO 2025056736 A1 WO2025056736 A1 WO 2025056736A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
sub
luminescence
semiconductor material
photovoltaic cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/075596
Other languages
English (en)
Inventor
Joël WYTTENBACH
Muriel Matheron
Olivier DUPRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of WO2025056736A1 publication Critical patent/WO2025056736A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining an electrical parameter of a tandem photovoltaic cell, the method being implemented by an electronic determination device; as well as a computer program comprising software instructions which, when executed by a computer, implement such a determination method.
  • the invention also relates to an electronic device for determining the electrical parameter of the tandem photovoltaic cell; as well as a system for characterizing said cell, comprising a device for measuring a luminescence of the cell and such a determination device connected to the measuring device.
  • the invention relates to the field of photovoltaic cells for solar panels, in particular tandem photovoltaic cells.
  • photovoltaic solar energy as a renewable energy depends directly on its cost and its land footprint, and obtaining a better conversion efficiency between solar energy and electrical energy is therefore important for this deployment.
  • a photovoltaic material converts light energy of wavelengths below its intrinsic band gap. High-energy photons are partially converted into electrical charges due to thermalization losses.
  • This characterization then requires combining several tools, which leads to a risk of damage to the photovoltaic cell, in particular due to a risk instability of LIT measurements in view of the response kinetics of thin layers, such as the perovskite thin layer.
  • WO 2021/028175 A1 describes, with regard to its single figure, a method for analyzing a perovskite-silicon tandem photovoltaic cell, via a device for measuring a luminescence of said cell, comprising the acquisition, via a measuring device, such as a CCD or CMOS sensor, of at least two sets of luminescence value(s) of said cell, each acquired set of luminescence value(s) resulting from a respective continuous excitation signal.
  • a measuring device such as a CCD or CMOS sensor
  • the aim of the invention is then to propose a method, and an associated electronic device, for determining an electrical parameter of a tandem photovoltaic cell making it possible to characterize thin-film tandem photovoltaic cells, in particular tandem photovoltaic cells with a perovskite thin layer.
  • the subject of the invention is a method for determining an electrical parameter of a tandem photovoltaic cell via a device for measuring a luminescence of said cell, the tandem photovoltaic cell comprising a first sub-cell including a layer of a first semiconductor material, and a second sub-cell including a layer of a second semiconductor material, the first sub-cell being arranged above the second sub-cell, the second semiconductor material having an optical gap different from that of the first semiconductor material, the method being implemented by an electronic determination device and comprising the following steps:
  • N being an integer greater than or equal to 1;
  • each excitation signal belongs to a range of values for which only the second sub-cell has high luminescence, the luminescence of the first sub-cell being low for said range of values of the excitation signal.
  • the determination method according to the invention then makes it possible, by differential luminescence with continuous excitation signals, to determine one or more values of the electrical parameter for one or more elementary zones of the tandem photovoltaic cell, in particular with thin layer(s), in particular with a perovskite thin layer.
  • the determination method according to the invention is simpler to implement and limits the risk of damage to the photovoltaic cell.
  • the determination method according to the invention requires a single measuring device, does not require the use of a filter, and does not require any spectral distinction.
  • the determination method according to the invention works in multiple electrical solicitation with the injection of several successive continuous excitation signals into the tandem photovoltaic cell, and offers a quantitative analysis, where the excitation varies only in intensity (or voltage), and not in type of excitation as in WO 2021/028175 A1.
  • each excitation signal belongs to a range of values for which only one of the two sub-cells of the tandem cell has a high luminescence compared to the luminescence of the other sub-cell for said range of values of the excitation signal, which then makes it possible to simplify the calculation of the value(s) of the electrical parameter.
  • one of the two sub-cells of the tandem cell has a non-zero luminescence, the luminescence of the other sub-cell being almost zero for said range of values of the excitation signal.
  • the determination method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
  • the measuring device is an image matrix sensor, each image comprising several pixels; and during the acquisition step, each luminescence value corresponds to the value of a respective pixel, N then being equal to the number of pixels in each image;
  • a ratio between high luminescence and low luminescence preferably being greater than 100;
  • the first semiconductor material preferably being a perovskite material
  • the second semiconductor material preferably still being silicon, such as crystalline silicon
  • the electrical parameter is chosen from the group comprising: a shunt resistance of a sub-cell, a series resistance of a sub-cell, a saturation current of a sub-cell, a collection function of a sub-cell, a non-ohmic conductance of a thin-film type sub-cell;
  • the continuous excitation is an electrical excitation or an optical excitation; the electrical excitation preferably being a voltage.
  • the electrical parameter is a shunt resistance of the first sub-cell
  • the DC excitation is a DC voltage applied across the terminals of the tandem photovoltaic cell
  • the calculation step comprises determining a current flowing in the second sub-cell, from each acquired luminescence value, the corresponding DC excitation voltage and a total current flowing through the tandem photovoltaic cell; then evaluating each value of said shunt resistance, from a difference between said currents and a difference between the corresponding DC excitation voltages.
  • the current is a local current flowing in an area of the photovoltaic cell seen by a respective pixel;
  • the DC excitation voltage is the voltage applied across the tandem photovoltaic cell; and
  • the shunt resistance of the first sub-cell is that for the area of the photovoltaic cell seen by said respective pixel.
  • the invention also relates to a computer program comprising software instructions which, when executed by a computer, implement a determination method, as defined above.
  • the invention also relates to an electronic device for determining an electrical parameter of a tandem photovoltaic cell, the tandem photovoltaic cell comprising a first sub-cell including a layer of a first semiconductor material, and a second sub-cell including a layer of a second semiconductor material, the first sub-cell being arranged above the second sub-cell, the second semiconductor material having an optical gap different from that of the first semiconductor material, the electronic determination device comprising:
  • control module configured to control, via an injection device, an injection of at least two successive continuous excitation signals into the tandem photovoltaic cell;
  • an acquisition module configured to acquire, via a measuring device, at least two sets of N luminescence value(s) of said cell, each acquired set of N luminescence value(s) resulting from a respective continuous excitation signal, N being an integer greater than or equal to 1; and - a calculation module configured to calculate a set of N value(s) of the electrical parameter from the acquired sets of N luminescence value(s); and each excitation signal belongs to a range of values for which only the second sub-cell exhibits high luminescence, the luminescence of the first sub-cell being low for said range of values of the excitation signal.
  • the invention also relates to a system for characterizing a tandem photovoltaic cell, the tandem photovoltaic cell comprising a first sub-cell including a layer of a first semiconductor material, and a second sub-cell including a layer of a second semiconductor material, the first sub-cell being arranged above the second sub-cell, the second semiconductor material having an optical gap different from that of the first semiconductor material, the system comprising:
  • - Figure 3 is a schematic representation of differential luminescence carried out via an image sensor and of elementary zones of the cell corresponding to the pixels of the image, as well as a simplified electrical modeling of an elementary zone corresponding to a pixel during this differential luminescence; and - figure 4 is a flowchart of a method, according to the invention, for determining the electrical parameter of the tandem photovoltaic cell, the method being implemented by the electronic determination device of figure 1.
  • continuous excitation signal is synonymous with a continuous excitation signal, just as continuous excitation signals are synonymous with continuous excitation signals, and that these expressions are respectively interchangeable without this changing the content of the present invention.
  • the characterization system 10 is then configured to characterize the tandem photovoltaic cell 12, in particular to quantify one or more electrical parameters having an impact on the performance of said cell 12.
  • the second semiconductor material has an optical gap different from that of the first semiconductor material.
  • the first semiconductor material has, i.e. presents, a first optical gap
  • the second semiconductor material has a second optical gap of a value distinct from the first optical gap.
  • thin layer is meant a layer having a thickness of less than 10 microns, preferably less than 1 micron.
  • a non-thin, or normal, layer for example of silicon, has a thickness greater than 10 microns, and typically greater than 100 microns.
  • the first and second semiconductor materials are chosen from the group consisting of: copper indium gallium selenide, also denoted CIGS; copper indium selenide, also denoted CIS; cadmium telluride, also denoted CdTe; gallium arsenide, also denoted GaAs; family of materials of layers III-V of the periodic table of elements, also called Mendeleev's table; organic materials; silicon, also denoted Si; and perovskite, kesterites....
  • electron transport layer also noted ETL
  • this layer being for example formed of a sub-layer of n-doped hydrogenated amorphous silicon, also noted (n) a-Si:H, followed by a sub-layer of intrinsic hydrogenated amorphous silicon, also noted (i) a-Si:H; layer in crystalline silicon; hole transport layer, also noted HTL, for example formed of an intrinsic hydrogenated amorphous silicon sublayer, also noted (i) a-Si:H, followed by a p-doped hydrogenated amorphous silicon sublayer, also noted (p) a-Si:H; transparent conductive layer, also noted TCO, forming the lower layer.
  • Perovskite material is a crystalline structure material that has favorable semiconductor properties for photovoltaic conversion.
  • Perovskites used in photovoltaic cells are generally organometallic compounds, such as methylammonium lead triiodide (MAPbl3), formamidinium lead triiodide (FAPbl3), or their derivatives.
  • MAPbl3 methylammonium lead triiodide
  • FAPbl3 formamidinium lead triiodide
  • the first sub-cell 22 is electrically modeled as comprising, between the first terminal 30A and the intermediate terminal 32 and in parallel with each other, a current source J P h top modeling the solar energy received by the first sub-cell 22, two diodes D1 _ top , D2 to P connected in parallel with each other and each receiving a current denoted respectively J1 Jop , J2_to P , a shunt resistance Rshto P , and a non-ohmic conductance S S h.
  • the first sub-cell 22 is electrically modeled as also comprising a series resistance Rs connected to the first terminal 30A, and for example between the non-ohmic conductance S S h and the first terminal 30A, it being observed that the elements J P hjo P , Di_ top , D 2 top , Rsh top , S S h of the modeling of the first sub-cell 22 other than the series resistance Rs are arranged in parallel with each other, in an interchangeable order, and that the series resistance Rs is then capable of being connected to any of these other elements J P h_ top , D1 top, D 2 top, Rshtop, S S h.
  • the non-ohmic conductance S S h models a breakdown effect.
  • the second sub-cell 26 is electrically modeled as delivering, or receiving, a second voltage Vpot in operation between the other of the two terminals 30, namely the second terminal 30B, and the intermediate terminal 32.
  • the second sub-cell 26 is electrically modeled as comprising, between the second terminal 30B and the intermediate terminal 32 and in parallel with each other, a current source J P h_bot modeling the solar energy converted by the second sub-cell 26, two diodes Di bot, D2 bot connected in parallel with each other and each receiving a current noted respectively Ji_ bot , J2_t>ot, and a shunt resistance Rsh bot .
  • the injection device 14 is configured to inject the continuous excitation signal into the tandem photovoltaic cell 12, and advantageously to repeat this injection of continuous excitation signal in order to inject at least two successive continuous excitation signals into said cell 12, the excitation signals being distinct from each other.
  • the excitation is for example an electrical excitation, such as a voltage, and the injection device 14 is then typically a direct voltage generator.
  • a difference between two successive distinct excitation signals is for example between 0.01 V and 0.1 V, for example equal to 0.05 V05V.
  • the variation in excitation from one signal to the other is then a variation in voltage.
  • the excitation is an optical excitation
  • the injection device 14 is then a continuous illumination source.
  • a difference between two successive distinct optical excitation signals is for example a difference in light power, or a difference in spectral characteristic.
  • the variation in excitation from one signal to another is then a variation in light power, or a variation in spectral characteristic.
  • the measuring device 16 is configured to measure a luminescence of the tandem photovoltaic cell 12 following the injection of the continuous excitation signal by the injection device 14.
  • the measuring device 16 is an image matrix sensor, such as a CCD (Charged Coupled Device) sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor.
  • CCD Charge Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the measuring device 16 is then configured to take successive images 11, I2 of the tandem photovoltaic cell 12 forming successive luminescence measurements, such as a first image 11 forming a first luminescence measurement following the injection of a first continuous excitation signal Exc1, then a second image I2 forming a second luminescence measurement following the injection of a second continuous excitation signal Exc2.
  • Each image 11, 12 comprises several pixels, and each pixel then corresponds to a luminescence value for a respective elementary zone of the photovoltaic cell 12.
  • the determination device 20 comprises a module 40 for controlling an injection of at least two successive continuous excitation signals Exc1, Exc2 into the cell 12, a module 42 for acquiring at least two sets of N luminescence value(s) of said cell 12, and a module 44 for calculating a set of N value(s) of the electrical parameter from the acquired sets of N luminescence value(s).
  • a module 40 for controlling an injection of at least two successive continuous excitation signals Exc1, Exc2 into the cell 12
  • a module 42 for acquiring at least two sets of N luminescence value(s) of said cell 12
  • a module 44 for calculating a set of N value(s) of the electrical parameter from the acquired sets of N luminescence value(s).
  • the determination device 20 comprises for example an information processing unit 50 typically formed of a memory 52 and a processor 54 associated with the memory 52.
  • control module 40, the acquisition module 42 and the calculation module 44 are each produced in the form of software, or a software brick, executable by the processor 54.
  • the memory 52 of the determination device 20 is then capable of storing software for controlling an injection of at least two successive continuous excitation signals Exc1, Exc2 into the cell, software for acquiring at least two sets of N luminescence value(s) of said cell 12, and software for calculating a set of N value(s) of the electrical parameter from the acquired sets of N luminescence value(s).
  • the processor 54 of the determination device 20 is then capable of executing each of the software among the control software, the acquisition software and the calculation software.
  • control module 40 the acquisition module 42 and the calculation module 44 are each produced in the form of a programmable logic component.
  • the determination device 20 When the determination device 20 is produced in the form of one or more software programs, that is to say in the form of a computer program, also called a computer program product, it is also capable of being recorded on a medium, not shown, that is readable by a computer.
  • the computer-readable medium is, for example, a medium capable of storing software instructions and of being coupled to a bus of a computer system.
  • the readable medium is an optical disk, a magneto-optical disk, a ROM memory, a RAM memory, any type of non-volatile memory (for example EPROM, EEPROM, FLASH, NVRAM), a magnetic card or an optical card.
  • a computer program comprising software instructions is then stored on the readable medium.
  • the control module 40 is configured to control, via the injection device 14, the injection of at least two successive continuous excitation signals into the tandem photovoltaic cell 12.
  • the control module 40 is advantageously configured to control the injection of successive continuous excitation signals belonging to a range of values for which only one sub-cell among the first sub-cell 22 and the second sub-cell 26 has a high luminescence, the luminescence of the other sub-cell among the first sub-cell 22 and the second sub-cell 26 being low for said range of values of the excitation signal.
  • a ratio between the high luminescence and the low luminescence is typically greater than 100.
  • the low luminescence is for example a substantially zero luminescence, and the high luminescence for example a non-zero luminescence at least 100 times greater than the substantially zero luminescence.
  • the cell having a high luminescence is the second sub-cell 26, the first sub-cell 22 having a low luminescence. Due to this low luminescence of the first sub-cell 22, the equivalent electrical modeling of the tandem photovoltaic cell 12 is then simplified. Indeed, in this case, the first sub-cell 22 is modeled as comprising only the series resistance Rs connected to the terminal 30 and the shunt resistance Rsh top ; and the second sub-cell 26 is modeled as comprising the two diodes Di bot, D2 bot connected in parallel with each other and each receiving a current denoted respectively J1 bot, J2_t>ot, and the shunt resistance Rsh bo t.
  • each of the aforementioned quantities included in the electrical modeling is noted with an index i, the simplified electrical modeling represented being that of an elementary zone of index i corresponding to a surface of the photovoltaic cell 12 seen by a pixel also of index i during the differential luminescence carried out via the image sensor forming the measuring device 16.
  • the range of DC voltage values allowing for low luminescence of the first sub-cell 22 is a voltage range substantially between 0 volts (V) and 1.3 V, preferably substantially between 0.6 V and 0.8 V, more preferably substantially equal to 0.7 V, in the case of the 12 perovskite-silicon tandem photovoltaic cell of the example in FIG. 2, further optimized for the photovoltaic conversion of solar radiation.
  • both the first sub-cell 22 and the second sub-cell 26 exhibit low luminescence, such that the range of DC voltage values allowing for low luminescence of the first sub-cell 22, while still having low luminescence high of the second sub-cell 26 is substantially between 0.6 V and 1.3 V, preferably substantially between 0.6 V and 0.8 V, more preferably substantially equal to 0.7 V.
  • the acquisition module 42 is configured to acquire, via the measuring device 16, at least two sets of N luminescence value(s) of said cell 12, each acquired set of N luminescence value(s) resulting from a respective continuous excitation signal.
  • the acquisition module 42 is configured to acquire the images taken successively by the image sensor, that is to say to acquire each image taken by the image sensor following the injection of a respective continuous excitation signal.
  • Each set of luminescence value(s) acquired by the acquisition module 42 then comprises a plurality of luminescence values of the tandem photovoltaic cell 12, each luminescence value corresponding to the value of a respective pixel of the acquired image.
  • the calculation module 44 is configured to calculate the set of N value(s) of the electrical parameter from the acquired sets of N luminescence value(s), in particular from a difference between these acquired sets of N luminescence value(s). The calculation module 44 is then configured to calculate the set of N value(s) of the electrical parameter by differential luminescence.
  • the electrical parameter is typically selected from the group consisting of: a shunt resistance of a sub-cell 22, 26; a series resistance of a sub-cell 22, 26; a saturation current of a sub-cell 22, 26; a collection function of a sub-cell 22, 26; a non-ohmic conductance of a thin-film type sub-cell 22, 26.
  • the electrical parameter is the shunt resistance Rsh top of the first sub-cell 22, and the DC excitation is a DC voltage applied to the terminals 30 of the tandem photovoltaic cell 12.
  • the calculation module 44 is then configured to calculate this shunt resistance Rsh top , by first determining the current Ji bot flowing in the second sub-cell 26, from each acquired luminescence value, the corresponding DC excitation voltage V 2 T and a total current Jext flowing through the tandem photovoltaic cell 12; then by evaluating each value of said shunt resistance Rsh top , from a difference AJ 1 bot between said currents and a difference AV 2 T between the corresponding DC excitation voltages.
  • the calculation module 44 is for example configured to determine the current Ji _ b ot flowing in the second sub-cell 26, according to the following equation:
  • E ⁇ t>i represents a total luminescence value obtained following the injection of a respective continuous excitation signal, also called global luminescence for the photovoltaic cell 12, where i is an integer index with a value between 1 and N,
  • Rshbot represents the shunt resistance of the second sub-cell 26 which is considered as a predetermined constant (for example by measurement),
  • V2T represents the corresponding direct current excitation voltage
  • Jext represents a total current flowing through the photovoltaic cell 12
  • N represents the number of pixels of the matrix sensor forming the measuring device 16, i.e. the number of pixels of each image acquired for the luminescence measurement.
  • the current J 1 bot determined by the calculation module 44 according to the preceding equation [1] represents a local current crossing the surface, or zone, of the photovoltaic cell 12 seen by the pixel of index i.
  • the consideration that the shunt resistance Rshbot of the second sub-cell 26 is a known constant is an assumption based on the fact that the second sub-cell 26 in crystalline silicon is of controlled manufacture, because the technology is older and more proven than for the first sub-cell 22 with a perovskite layer.
  • the calculation module 44 is then, for example, configured to calculate the value of the shunt resistance Rsh top of the first sub-cell 22, according to the following equation:
  • Rsi represents the series resistance of the first sub-cell 22, for the elementary zone of index i, which is of much lower value, that is to say negligible, compared to the shunt resistance Rsh top ,i of the first sub-cell 22,
  • N represents the number of pixels nkT/q represents a constant term, n being an integer, for example equal to 1, AJi bot represents a current delta in the second sub-cell 26 resulting from the differential luminescence, i.e. the difference between a first value of the current Ji botj flowing in the second sub-cell 26 obtained according to the preceding equation [1] for a first luminescence measurement following the injection of a first continuous excitation voltage and a second value of the current Ji _ b ot flowing in the second sub-cell 26 obtained according to the preceding equation [1] for a second luminescence measurement following the injection of a second continuous excitation voltage, and

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination d'un paramètre électrique d'une cellule photovoltaïque tandem (12) comprenant une première sous-cellule (22) incluant une couche (24) d'un premier matériau semi-conducteur, et une deuxième sous-cellule (26) incluant une couche (28) d'un deuxième matériau semi-conducteur, la première sous- cellule étant au-dessus de la deuxième, le deuxième matériau semi-conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier. Le procédé est mis en œuvre par un dispositif électronique de détermination (20) et comprend l'acquisition, via un dispositif de mesure (16), d'au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule, chaque ensemble acquis résultant d'un signal d'excitation continue respectif, N≥1; et le calcul d'un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence. Le procédé permet de caractériser la cellule avec une résolution en deux dimensions, et d'effectuer une cartographie en deux dimensions de cette cellule.

Description

Procédé et dispositif électronique de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photovoltaïque tandem, programme d’ordinateur et système de caractérisation associés
La présente invention concerne un procédé de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photovoltaïque tandem, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique de détermination ; ainsi qu’un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un tel procédé de détermination.
L’invention concerne également un dispositif électronique de détermination du paramètre électrique de la cellule photovoltaïque tandem ; ainsi qu’un système de caractérisation de ladite cellule, comprenant un dispositif de mesure d’une luminescence de la cellule et un tel dispositif de détermination connecté au dispositif de mesure.
L’invention concerne le domaine des cellules photovoltaïques pour panneaux solaires, en particulier des cellules photovoltaïques tandem.
Le déploiement de l’énergie solaire photovoltaïque en tant qu’énergie renouvelable dépend directement de son coût et de son empreinte foncière, et l’obtention d’un meilleur rendement de conversion entre énergie solaire et énergie électrique est alors important pour ce déploiement.
Un matériau photovoltaïque convertit l’énergie lumineuse de longueur d’onde inférieure à son gap intrinsèque. Les photons de haute énergie sont partiellement convertis en charges électriques du fait de pertes par thermalisation.
Il est alors connu d’utiliser des cellules photovoltaïques tandem combinant plusieurs matériaux semi-conducteurs avec des gaps distincts, afin de proposer un meilleur rendement de conversion entre énergie solaire et énergie électrique.
Dans le cadre de ce déploiement de l’énergie solaire photovoltaïque, il est nécessaire de disposer d’outils permettant de caractériser les cellules photovoltaïques, et notamment de quantifier un ou plusieurs paramètres électriques ayant un impact sur la performance de ces cellules.
Les documents « Series resistance imaging of solar cells by voltage dependent electroluminescence » de D. Hinken et al, publié aussi dans Applied Physics Letters en 2007 ; et « Quantitative evaluation of inhomogeneous device operation in thin film solar cells by luminescence imaging » de M. Seeland et al, publié dans Applied Physics Letters en 2015, décrivent la caractérisation de cellules photovoltaïques par luminescence différentielle. Le document « Non-destructive local analysis of current-voltage characteristics of solar cells by lock-in thermography » de O. Breitenstein, publié par IEEE en 201 1 , décrit la caractérisation de cellules photovoltaïques par une analyse de thermographie infrarouge, également appelée LIT (de l’anglais Lock-In Thermography).
Le document « Impact of Interface Layers on Luminescence Imaging of Organic Solar Cells: Discriminating ETL from HTL Defects » de M.-A. Llobel et al, publié dans Applied Materials & Interfaces en 2020, décrit la caractérisation de cellules photovoltaïques en comparant l’effet de différents défauts.
Le document « Recombination current and series resistance imaging of solar cells by combined luminescence and lock-in thermography » de K. Ramspeck et al, publié dans Applied Physics Letters en 2007, effectue une comparaison quantitative de deux caractérisations différentes, à savoir par LIT et par luminescence, pour calculer une cartographie de résistance série
Toutefois, ces documents concernent seulement la caractérisation de cellules photovoltaïques à simple jonction, et ne permettent alors pas de caractériser des cellules photovoltaïques tandem.
Le document « Transport efficiency imaging in multi-junction solar cells by luminescence analysis » de H. Xu et al, publié par IEEE en 2018, décrit la caractérisation de cellules photovoltaïques multi-jonctions, par luminescence avec un signal d’excitation de type lock-in, c’est-à-dire alternatif en général de type créneaux on/off, utilisant un amplificateur de verrouillage (de l’anglais lock-in amplifier) pour analyser des signaux électriques générés par une source de lumière monochromatique modulée au moyen d’un laser.
Toutefois, une telle caractérisation ne s’applique pas à certaines cellules photovoltaïques tandem en raison d’un comportement dynamique relativement lent dû aux mouvements ioniques dans les matériaux utilisés dans les couches minces.
Le document « Understanding Contact Nonuniformities at Interfaces in Perovskite Silicon Tandem Solar Cells Using Luminescence Imaging, Lock-In Thermography, and 2D/3D Simulations » de O. Fischer et al., publié dans Solar RRL en 2023, décrit l’utilisation de techniques d’imagerie de luminescence et de LIT appliquées à la caractérisation de cellules tandem silicium / pérovskite. C’est la combinaison de plusieurs modes d’acquisition et d’outils de simulation électrique qui permet d’obtenir une information sur les paramètres électriques locaux.
Cette caractérisation nécessite alors de combiner plusieurs outils, ce qui entraîne un risque d’endommagement de la cellule photovoltaïque, notamment de par un risque d’instabilité des mesures LIT au vu des cinétiques de réponse des couches minces, telle que la couche mince pérovskite.
WO 2021/028175 A1 décrit, au regard de son unique figure, un procédé d’analyse d’une cellule photovoltaïque tandem pérovskite-silicium, via un dispositif de mesure d’une luminescence de ladite cellule, comprenant l’acquisition, via un dispositif de mesure, tel qu’un capteur CCD ou CMOS, d’au moins deux ensembles de valeur(s) de luminescence de ladite cellule, chaque ensemble acquis de valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif.
Toutefois, un tel procédé d’analyse est complexe, en nécessitant notamment l’utilisation de filtres et la mise en œuvre d’une distinction spectrale.
Le but de l’invention est alors de proposer un procédé, et un dispositif électronique associé, de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photovoltaïque tandem permettant de caractériser des cellules photovoltaïques tandem à couches minces, notamment des cellules photovoltaïques tandem avec une couche mince pérovskite.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photovoltaïque tandem via un dispositif de mesure d’une luminescence de ladite cellule, la cellule photovoltaïque tandem comprenant une première sous-cellule incluant une couche d’un premier matériau semi-conducteur, et une deuxième sous-cellule incluant une couche d’un deuxième matériau semi-conducteur, la première sous-cellule étant disposée au-dessus de la deuxième sous-cellule, le deuxième matériau semi-conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier matériau semi- conducteur, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique de détermination et comprenant les étapes suivantes :
- commande, via un dispositif d’injection, d’une injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque tandem ;
- acquisition, via un dispositif de mesure, d’au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule, chaque ensemble acquis de N valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1 ;
- calcul d’un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence ; lors de l’étape de commande, chaque signal d’excitation appartient à une plage de valeurs pour laquelle seulement la deuxième sous-cellule présente une luminescence élevée, la luminescence de la première sous-cellule étant faible pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation. Le procédé de détermination selon l’invention permet alors, par luminescence différentielle avec des signaux d’excitation continue, de déterminer une ou plusieurs valeurs du paramètre électrique pour une ou plusieurs zones élémentaires de la cellule photovoltaïque tandem, notamment à couche(s) mince(s), en particulier avec une couche mince pérovskite.
En comparaison de l’utilisation selon l’état de la technique de techniques d’imagerie de luminescence et de LIT appliquées à la caractérisation de cellules tandem silicium / pérovskite, le procédé de détermination selon l’invention est plus simple de mise en œuvre et limite le risque d’endommagement de la cellule photovoltaïque.
En particulier, en comparaison avec le procédé d’analyse décrit dans WO 2021/028175 A1 , le procédé de détermination selon l’invention nécessite un seul dispositif de mesure, ne requiert pas l’utilisation de filtre, et ne nécessite aucune distinction spectrale.
Le procédé de détermination selon l’invention travaille en sollicitation électrique multiple avec l’injection de plusieurs signaux successifs d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque tandem, et propose une analyse quantitative, où l’excitation varie seulement en intensité (ou tension), et non en type d’excitation comme dans WO 2021/028175 A1.
De préférence, chaque signal d’excitation appartient à une plage de valeurs pour laquelle seulement l’une des deux sous-cellules de la cellule tandem présente une luminescence élevée par rapport à la luminescence de l’autre sous-cellule pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation, ce qui permet alors de simplifier le calcul de la ou des valeurs du paramètre électrique. Dans un cas particulier, l’une des deux sous-cellules de la cellule tandem présente une luminescence non nulle, la luminescence de l’autre sous- cellule étant quasi nille pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé de détermination comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le dispositif de mesure est un capteur matriciel d’images, chaque image comportant plusieurs pixels ; et lors de l’étape d’acquisition, chaque valeur de luminescence correspond à la valeur d’un pixel respectif, N étant alors égal au nombre de pixels dans chaque image ;
- un ratio entre la luminescence élevée et la luminescence faible étant de préférence supérieur à 100 ;
- le premier matériau semi-conducteur étant de préférence un matériau pérovskite ; le deuxième matériau semi-conducteur étant de préférence encore du silicium, tel qu’un silicium cristallin ; - le paramètre électrique est choisi parmi le groupe comportant : une résistance de shunt d’une sous-cellule, une résistance série d’une sous-cellule, un courant de saturation d’une sous-cellule, une fonction de collecte d’une sous cellule, une conductance non- ohmique d’une sous cellule de type couche mince ;
- l’excitation continue est une excitation électrique ou une excitation optique ; l’excitation électrique étant de préférence une tension.
- le paramètre électrique est une résistance de shunt de la première sous-cellule, l’excitation continue est une tension continue appliquée aux bornes de la cellule photovoltaïque tandem, et l’étape de calcul comporte la détermination d’un courant circulant dans la deuxième sous-cellule, à partir de chaque valeur acquise de luminescence, de la tension d’excitation continue correspondante et d’un courant total traversant la cellule photovoltaïque tandem; puis l’évaluation de chaque valeur de ladite résistance de shunt, à partir d’une différence entre lesdits courants et d’une différence entre les tensions d’excitation continue correspondantes.
- le courant est un courant local circulant dans une zone de la cellule photovoltaïque vue par un pixel respectif ; la tension d’excitation continue est la tension appliquée aux bornes de la cellule photovoltaïque tandem; et la résistance de shunt de la première sous- cellule est celle pour la zone de la cellule photovoltaïque vue par ledit pixel respectif.
L’invention concerne également un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé de détermination, tel que défini ci-dessus.
L’invention concerne aussi un dispositif électronique de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photovoltaïque tandem, la cellule photovoltaïque tandem comprenant une première sous-cellule incluant une couche d’un premier matériau semi- conducteur, et une deuxième sous-cellule incluant une couche d’un deuxième matériau semi-conducteur, la première sous-cellule étant disposée au-dessus de la deuxième sous- cellule, le deuxième matériau semi-conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier matériau semi-conducteur, le dispositif électronique de détermination comprenant :
- un module de commande configuré pour commander, via un dispositif d’injection, une injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque tandem ;
- un module d’acquisition configuré pour acquérir, via un dispositif de mesure, au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule, chaque ensemble acquis de N valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1 ; et - un module de calcul configuré pour calculer un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence ; et chaque signal d’excitation appartient à une plage de valeurs pour laquelle seulement la deuxième sous-cellule présente une luminescence élevée, la luminescence de la première sous-cellule étant faible pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation.
L’invention concerne également un système de caractérisation d’une cellule photovoltaïque tandem, la cellule photovoltaïque tandem comprenant une première sous- cellule incluant une couche d’un premier matériau semi-conducteur, et une deuxième sous- cellule incluant une couche d’un deuxième matériau semi-conducteur, la première sous- cellule étant disposée au-dessus de la deuxième sous-cellule, le deuxième matériau semi- conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier matériau semi-conducteur, le système comprenant :
- un dispositif d’injection d’un signal d’excitation continue dans la cellule ;
- un dispositif de mesure d’une luminescence de la cellule suite à l’injection du signal d’excitation continue ; et
- un dispositif électronique de détermination d’un paramètre électrique de la cellule, le dispositif électronique de détermination étant connecté au dispositif de mesure, et tel que défini ci-dessus.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un système selon l’invention de caractérisation d’une cellule photovoltaïque tandem, le système de caractérisation comprenant un dispositif de mesure d’une luminescence de la cellule et un dispositif électronique de détermination d’un paramètre électrique de la cellule, connecté au dispositif de mesure ;
- la figure 2 est une représentation schématique d’un exemple d’empilement de couches de matériaux formant la cellule photovoltaïque tandem de la figure 1 , et d’une modélisation électrique associée de ladite cellule ;
- la figure 3 est une représentation schématique d’une luminescence différentielle effectuée via un capteur d’image et de zones élémentaires de la cellule correspondant aux pixels de l’image, ainsi que d’une modélisation électrique simplifiée d’une zone élémentaire correspondant à un pixel lors de cette luminescence différentielle ; et - la figure 4 est un organigramme d’un procédé, selon l’invention, de détermination du paramètre électrique de la cellule photovoltaïque tandem, le procédé étant mis en œuvre par le dispositif électronique de détermination de la figure 1 .
Dans la suite de la description, l’expression « sensiblement égal(e) à » désigne une relation d’égalité à plus ou moins 10 %, et de préférence à plus ou moins 5 %.
Sur la figure 1 , un système 10 de caractérisation d’une cellule photovoltaïque tandem 12 comprend un dispositif 14 d’injection d’un signal d’excitation continue dans la cellule 12, un dispositif 16 de mesure d’une luminescence de la cellule 12 suite à l’injection du signal d’excitation continue, et un dispositif électronique 20 de détermination d’un paramètre électrique de la cellule 12, le dispositif de détermination 20 étant connecté au dispositif de mesure 16. Optionnellement, le dispositif de détermination 20 est connecté en outre au dispositif d’injection 14 pour commander le dispositif d’injection 14 lorsqu’il n’est pas commandé manuellement.
L’homme du métier observera qu’un signal d’excitation continue est synonyme d’un signal continu d’excitation, de même que des signaux d’excitation continue sont synonymes de signaux continus d’excitation, et que ces expressions sont respectivement interchangeables sans que cela ne change le contenu de la présente invention.
Le système de caractérisation 10 est alors configuré pour caractériser la cellule photovoltaïque tandem 12, notamment pour quantifier un ou plusieurs paramètres électriques ayant un impact sur la performance de ladite cellule 12.
La cellule photovoltaïque tandem 12 comprend une première sous-cellule 22 incluant une couche 24 d’un premier matériau semi-conducteur, et une deuxième sous-cellule 26 incluant une couche 28 d’un deuxième matériau semi-conducteur, comme représenté sur la figure 2. La première sous-cellule 22 est disposée au-dessus de la deuxième sous-cellule 26.
Le deuxième matériau semi-conducteur a un gap optique différent de celui du premier matériau semi-conducteur. Autrement dit, le premier matériau semi-conducteur a, i.e. présente, un premier gap optique, et le deuxième matériau semi-conducteur a un deuxième gap optique de valeur distincte du premier gap optique.
Par gap optique, également appelé gap, on entend comme connu en soi une largeur d’une bande interdite du matériau semi-conducteur, la bande interdite étant entre une bande de valence et une bande de conduction dudit matériau semi-conducteur.
Le deuxième matériau semi-conducteur est, par exemple, de type distinct du premier matériau semi-conducteur. En variante, le deuxième matériau semi-conducteur est de même type que le premier matériau semi-conducteur, les premier et deuxième matériaux semi-conducteur se distinguant alors par leur gap respectif.
L’invention n’est pas limitée à une cellule photovoltaïque tandem 12 de type pérovskite/silicium, et s’applique également à tout type de cellule tandem ayant des couches minces avec des temps de réponse (>1s) à un signal d’excitation électrique ou lumineux, non instantanés ou réversibles, incluant notamment des matériaux semi- conducteurs organiques ou pérovskite.
Par couche mince, on entend une couche présentant une épaisseur inférieure à 10 microns, de préférence inférieure à 1 micron. A titre de comparaison, une couche non- mince, ou normale, par exemple de silicium, présente une épaisseur supérieure à 10 microns, et typiquement supérieure à 100 microns.
Dans l’exemple de la figure 2, la cellule photovoltaïque tandem 12 est une cellule pérovskite-silicium, le premier matériau semi-conducteur étant un matériau pérovskite, et le deuxième matériau semi-conducteur étant le/du silicium, tel qu’un silicium cristallin.
Plus généralement, les premier et deuxième matériaux semi-conducteur sont choisis parmi le groupe consistant en : séléniure de cuivre, d'indium et de gallium, aussi noté CIGS ; séléniure de cuivre et d'indium, aussi noté CIS ; tellurure de cadmium, aussi noté CdTe ; arsénure de gallium, aussi noté GaAs ; famille des matériaux des couches lll-V du tableau périodique des éléments, également appelé tableau de Mendeleïev ; matériaux organiques ; silicium, aussi noté Si ; et pérovskite, kesterites....
Dans l’exemple de la figure 2, chaque sous-cellule 22, 26 comporte un empilement de couches, dont les couches 24 et 28. La première sous-cellule 22 comporte l’empilement de couches suivant dans l’exemple de la figure 2, par ordre successif depuis des électrodes métalliques, par exemple en argent, de la première sous-cellule 22, au contact d’une couche supérieure jusqu’à une couche inférieure : couche conductrice transparente, aussi notée TCO (de l’anglais Transparent Conducting Oxide), formant la couche supérieure ; couche de transport d’électrons, aussi notée ETL (de l’anglais Electron Transport Layer) ; couche pérovskite ; couche de transport de trous, aussi notée HTL (de l’anglais Hole Transport Layer) ; et couche de recombinaison entre les sous cellules 22, 26, aussi notée ITO rec, formant la couche inférieure. La deuxième sous-cellule 26 comporte l’empilement de couches suivant dans l’exemple de la figure 2, par ordre successif depuis une couche supérieure jusqu’à une couche inférieure au contact d’une électrode métallique, par exemple en argent, de la deuxième sous-cellule 26 : couche de transport d’électrons, aussi notée ETL, formant la couche supérieure, cette couche étant par exemple formée d’une sous-couche en silicium amorphe hydrogéné dopé n, aussi notée (n) a-Si :H, suivie d’une sous-couche en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque, aussi notée (i) a-Si :H ; couche en silicium cristallin ; couche de transport de trous, aussi notée HTL, par exemple formée d’une sous-couche en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque, aussi notée (i) a-Si :H, suivie d’une sous-couche en silicium amorphe hydrogéné dopé p, aussi notée (p) a-Si :H ; couche conductrice transparente, aussi notée TCO, formant la couche inférieure.
Le matériau pérovskite est un matériau à structure cristalline qui possède des propriétés semi-conductrices favorables pour la conversion photovoltaïque. Les pérovskites utilisés dans les cellules photovoltaïques sont généralement des composés organométalliques, tels que le méthylammonium lead triiodide (MAPbl3), le formamidinium lead triiodide (FAPbl3), ou leurs dérivés.
La cellule photovoltaïque tandem 12 comporte deux bornes 30, à savoir une première borne 30A, dite aussi borne positive, et une deuxième borne 30B, dite aussi borne négative, en lesquelles elle est propre à délivrer une tension notée V2T en fonctionnement, lorsqu’elle reçoit une énergie solaire, ces bornes 30 servant aussi à recevoir un signal d’excitation continu, décrit par la suite. La première sous-cellule 22 est modélisée électriquement comme délivrant, ou recevant, i.e étant soumise à, une première tension Vtop en fonctionnement entre l’une des deux bornes 30, à savoir la première borne 30A, et une borne intermédiaire 32. La première sous-cellule 22 est modélisée électriquement comme comportant, entre la première borne 30A et la borne intermédiaire 32 et en parallèle les unes des autres, une source de courant JPh top modélisant l’énergie solaire reçue par la première sous-cellule 22, deux diodes D1 _top, D2 toP connectées en parallèle l’une de l’autre et recevant chacune un courant noté respectivement J1 Jop, J2_toP, une résistance de shunt RshtoP, et une conductance non-ohmique SSh. La première sous-cellule 22 est modélisée électriquement comme comportant également une résistance série Rs connectée à la première borne 30A, et par exemple entre la conductance non-ohmique SSh et la première borne 30A, étant observé que les éléments JPhjoP, Di_top, D2 top, Rshtop, SSh de la modélisation de la première sous-cellule 22 autres que la résistance série Rs sont agencés en parallèle les uns des autres, selon un ordre interchangeable, et que la résistance série Rs est alors susceptible d’être connectée à n’importe lequel de ces autres éléments JPh_top, D1 top, D2 top, Rshtop, SSh. La conductance non-ohmique SSh modélise un effet de claquage (de l’anglais breakdown). La deuxième sous-cellule 26 est modélisée électriquement comme délivrant, ou recevant, une deuxième tension Vpot en fonctionnement entre l’autre des deux bornes 30, à savoir la deuxième borne 30B, et la borne intermédiaire 32. La deuxième sous-cellule 26 est modélisée électriquement comme comportant, entre la deuxième borne 30B et la borne intermédiaire 32et en parallèle les unes des autres, une source de courant JPh_bot modélisant l’énergie solaire convertie par la deuxième sous-cellule 26, deux diodes Di bot, D2 bot connectées en parallèle l’une de l’autre et recevant chacune un courant noté respectivement Ji_bot, J2_t>ot, et une résistance de shunt Rshbot.
Le dispositif d’injection 14 est configuré pour injecter le signal d’excitation continu dans la cellule photovoltaïque tandem 12, et avantageusement pour réitérer cette injection de signal d’excitation continue afin d’injecter au moins deux signaux successifs d’excitation continue dans ladite cellule 12, les signaux d’excitation étant distincts les uns des autres.
L’excitation est par exemple une excitation électrique, telle qu’une tension, et le dispositif d’injection 14 est alors typiquement un générateur de tension continue. Une différence entre deux signaux d’excitation distincts successifs est par exemple comprise entre 0,01 V et 0,1 V, par exemple égale à 0,05 V05V. Autrement dit, la variation d’excitation d’un signal à l’autre est alors une variation de tension.
En variante, l’excitation est une excitation optique, et le dispositif d’injection 14 est alors une source d’illumination continue. Une différence entre deux signaux d’excitation optique distincts successifs est par exemple une différence de puissance lumineuse, ou encore une différence de caractéristique spectrale. Autrement dit, la variation d’excitation d’un signal à l’autre est alors une variation de puissance lumineuse, ou encore une variation de caractéristique spectrale.
Le dispositif de mesure 16 est configuré pour mesurer une luminescence de la cellule photovoltaïque tandem 12 suite à l’injection du signal d’excitation continue par le dispositif d’injection 14.
Dans l’exemple de la figure 1 , le dispositif de mesure 16 est un capteur matriciel d’image, telle qu’un capteur CCD (de l’anglais Charged Coupled Device) ou un capteur CMOS (de l’anglais Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Selon cet exemple, le dispositif de mesure 16 est alors configuré pour prendre des images 11 , I2 successives de la cellule photovoltaïque tandem 12 formant des mesures successives de luminescence, telle qu’une première image 11 formant une première mesure de luminescence suite à l’injection d’un premier signal d’excitation continue Exc1 , puis une deuxième image I2 formant une deuxième mesure de luminescence suite à l’injection d’un deuxième signal d’excitation continue Exc2. Chaque image 11 , 12 comporte plusieurs pixels, et chaque pixel correspond alors à une valeur de luminescence pour une zone élémentaire respective de la cellule photovoltaïque 12.
Le dispositif de détermination 20 comprend un module 40 de commande d’une injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue Exc1 , Exc2 dans la cellule 12, un module 42 d’acquisition d’au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule 12, et un module 44 de calcul d’un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence. L’homme du métier observera que le module de commande 40 est optionnel, le dispositif d’injection 14 étant en variante commandé manuellement par un opérateur.
N est un nombre entier supérieur ou égal à 1 . Lorsque le dispositif de mesure 16 est un capteur matriciel d’image, N est typiquement égal au nombre de pixels dans chaque image qui sont illuminés par la cellule photovoltaïque 12, cette illumination résultant de l’injection du signal d’excitation continue dans la cellule 12 par le dispositif d’injection 14.
Le dispositif de détermination 20 comprend par exemple une unité de traitement d’informations 50 formée typiquement d’une mémoire 52 et d’un processeur 54 associé à la mémoire 52.
Selon cet exemple, le module de commande 40, le module d’acquisition 42 et le module de calcul 44 sont réalisés chacun sous forme d’un logiciel, ou d’une brique logicielle, exécutable par le processeur 54. La mémoire 52 du dispositif de détermination 20 est alors apte à stocker un logiciel de commande d’une injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue Exc1 , Exc2 dans la cellule, un logiciel d’acquisition d’au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule 12, et un logiciel de calcul d’un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence. Le processeur 54 du dispositif de détermination 20 est alors apte à exécuter chacun des logiciels parmi le logiciel de commande, le logiciel d’acquisition et le logiciel de calcul.
En variante non représentée, le module de commande 40, le module d’acquisition 42 et le module de calcul 44 sont réalisés chacun sous forme d’un composant logique programmable.
Lorsque le dispositif de détermination 20 est réalisé sous forme d’un ou plusieurs logiciels, c’est-à-dire sous forme d’un programme d’ordinateur, également appelé produit programme d’ordinateur, il est en outre apte à être enregistré sur un support, non représenté, lisible par ordinateur. Le support lisible par ordinateur est par exemple un medium apte à mémoriser des instructions logicielles et à être couplé à un bus d’un système informatique. A titre d’exemple, le support lisible est un disque optique, un disque magnéto- optique, une mémoire ROM, une mémoire RAM, tout type de mémoire non-volatile (par exemple EPROM, EEPROM, FLASH, NVRAM), une carte magnétique ou une carte optique. Sur le support lisible est alors mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions logicielles.
Le module de commande 40 est configuré pour commander, via le dispositif d’injection 14, l’injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque tandem 12. Le module de commande 40 est avantageusement configuré pour commander l’injection de signaux successifs d’excitation continue appartenant à une plage de valeurs pour laquelle seulement une sous-cellule parmi la première sous-cellule 22 et la deuxième sous-cellule 26 présente une luminescence élevée, la luminescence de l’autre sous-cellule parmi la première sous-cellule 22 et la deuxième sous-cellule 26 étant faible pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation. Un ratio entre la luminescence élevée et la luminescence faible est typiquement supérieur à 100. La luminescence faible est par exemple une luminescence sensiblement nulle, et la luminescence élevée par exemple une luminescence non-nulle au moins 100 fois supérieure à la luminescence sensiblement nulle.
Selon cet aspect avantageux, dans l’exemple de la figure 3, la cellule présentant une luminescence élevée est la deuxième sous-cellule 26, la première sous-cellule 22 présentant une luminescence faible. Du fait de cette luminescence faible de la première sous-cellule 22, la modélisation électrique équivalente de la cellule photovoltaïque tandem 12 est alors simplifiée. En effet, dans ce cas, la première sous-cellule 22 est modélisée comme comportant seulement la résistance série Rs connectée à la borne 30 et la résistance de shunt Rshtop ; et la deuxième sous-cellule 26 est modélisée comme comportant les deux diodes Di bot, D2 bot connectées en parallèle l’une de l’autre et recevant chacune un courant noté respectivement J1 bot, J2_t>ot, et la résistance de shunt Rshbot.
L’homme du métier observera que, sur la figure 3, chacune des grandeurs précitées incluses dans la modélisation électrique est notée avec un indice i, la modélisation électrique simplifiée représentée étant celle d’une zone élémentaire d’indice i correspondant à une surface de la cellule photo voltaïque 12 vue par un pixel également d’indice i lors de la luminescence différentielle effectuée via le capteur d’image formant le dispositif de mesure 16.
À titre d’exemple, lorsque l’excitation est une excitation électrique, en particulier une tension, la plage de valeurs de tension continue permettant d’avoir une luminescence faible de la première sous-cellule 22 est une plage de tension sensiblement comprise entre 0 volt (V) et 1 ,3 V, de préférence sensiblement comprise entre 0,6 V et 0,8 V, de préférence encore sensiblement égale à 0,7 V, dans le cas de la cellule photovoltaïque tandem 12 pérovskite-silicium de l’exemple de la figure 2, optimisée en outre pour la conversion photovoltaïque du rayonnement solaire.
L’homme du métier observera que pour une tension continue d’excitation proche de 0 V, à la fois la première sous-cellule 22 et la deuxième sous-cellule 26 présentent une luminescence faible, de sorte que la plage de valeurs de tension continue permettant d’avoir une luminescence faible de la première sous-cellule 22, tout en ayant une luminescence élevée de la deuxième sous-cellule 26 est sensiblement comprise entre 0,6 V et 1 ,3 V, de préférence sensiblement comprise entre 0,6 V et 0,8 V, de préférence encore sensiblement égale à 0,7 V.
Le module d’acquisition 42 est configuré pour acquérir, via le dispositif de mesure 16, au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule 12, chaque ensemble acquis de N valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif.
En particulier, lorsque le dispositif de mesure 16 est le capteur d’image, le module d’acquisition 42 est configuré pour acquérir les images prises successivement par le capteur d’image, c’est-à-dire pour acquérir chaque image prise par le capteur d’image suite à l’injection d’un signal d’excitation continue respectif. Chaque ensemble de valeur(s) de luminescence acquis par le module d’acquisition 42 comporte alors une pluralité de valeurs de luminescence de la cellule photo voltaïque tandem 12, chaque valeur de luminescence correspondant à la valeur d’un pixel respectif de l’image acquise.
Le module de calcul 44 est configuré pour calculer l’ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence, en particulier à partir d’une différence entre ces ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence. Le module de calcul 44 est alors configuré pour calculer l’ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique par luminescence différentielle.
Le paramètre électrique est typiquement choisi parmi le groupe consistant en : une résistance de shunt d’une sous-cellule 22, 26 ; une résistance série d’une sous-cellule 22, 26 ; un courant de saturation d’une sous-cellule 22, 26 ; une fonction de collecte d’une sous cellule 22, 26 ; une conductance non-ohmique d’une sous cellule 22, 26 de type couche mince.
A titre d’exemple, le paramètre électrique est la résistance de shunt Rshtop de la première sous-cellule 22, et l’excitation continue est une tension continue appliquée aux bornes 30 de la cellule photovoltaïque tandem 12. Le module de calcul 44 est alors configuré pour calculer cette résistance de shunt Rshtop, en déterminant d’abord le courant Ji bot circulant dans la deuxième sous-cellule 26, à partir de chaque valeur acquise de luminescence, de la tension d’excitation continue V2T correspondante et d’un courant total Jext traversant la cellule photovoltaïque tandem 12 ; puis en évaluant chaque valeur de ladite résistance de shunt Rshtop, à partir d’une différence AJ 1 bot entre lesdits courants et d’une différence AV2T entre les tensions d’excitation continue correspondantes.
Le module de calcul 44 est par exemple configuré pour déterminer le courant Ji _bot circulant dans la deuxième sous-cellule 26, selon l’équation suivante :
[1]
Figure imgf000016_0001
où Ji bot.i représente le courant circulant dans la deuxième sous-cellule 26, <t>i représente la valeur de luminescence obtenue pour un pixel respectif,
E<t>i représente une valeur totale de luminescence obtenue suite à l’injection d’un signal d’excitation continue respectif, également appelé luminescence globale pour la cellule photovoltaïque 12, où i est un indice entier de valeur comprise entre 1 et N,
Rshbot représente la résistance de shunt de la deuxième sous-cellule 26 qui est considérée comme une constante prédéterminée (par exemple par mesure),
V2T représente la tension d’excitation continue correspondante,
Jext représente un courant total traversant la cellule photovoltaïque 12,
N représente le nombre de pixels du capteur matriciel formant le dispositif de mesure 16, c’est-à-dire le nombre de pixels de chaque image acquise pour la mesure de luminescence.
L’homme du métier observera que le courant J 1 bot déterminé par le module de calcul 44 selon l’équation [1 ] précédente représente un courant local traversant la surface, ou zone, de la cellule photovoltaïque 12 vue par le pixel d’indice i.
La considération que la résistance de shunt Rshbot de la deuxième sous-cellule 26 est une constante connue est une hypothèse basée sur le fait que la deuxième sous-cellule 26 en silicium cristallin est de fabrication maîtrisée, car la technologie est plus ancienne et plus éprouvée que pour la première sous-cellule 22 avec une couche en pérovskite.
Le module de calcul 44 est ensuite par exemple configuré pour calculer la valeur de la résistance de shunt Rshtop de la première sous-cellule 22, selon l’équation suivante :
[2]
Figure imgf000016_0002
où Rshtop, i représente le paramètre électrique à déterminer, c’est-à-dire la résistance de shunt de la première sous-cellule 22, pour la zone élémentaire d’indice i,
Rsi représente la résistance série de la première sous-cellule 22, pour la zone élémentaire d’indice i, qui est de valeur bien plus faible, c’est-à-dire négligeable, par rapport à la résistance de shunt Rshtop,i de la première sous-cellule 22,
N représente le nombre de pixels nkT/q représente un terme constant, n étant un entier, par exemple égal à 1 , AJi bot représente un delta de courant dans la deuxième sous-cellule 26 résultant de la luminescence différentielle, c’est-à-dire la différence entre une première valeur du courant J-i botj circulant dans la deuxième sous-cellule 26 obtenue selon l’équation [1] précédente pour une première mesure de luminescence suite à l’injection d’une première tension d’excitation continue et une deuxième valeur du courant Ji _bot circulant dans la deuxième sous-cellule 26 obtenue selon l’équation [1] précédente pour une deuxième mesure de luminescence suite à l’injection d’une deuxième tension d’excitation continue, et
In représente l’opérateur mathématique logarithme népérien, et
AV2T représente la différence entre la première tension d’excitation continue et la deuxième tension d’excitation continue.
En particulier, AJi _bot,i vérifie typiquement l’équation suivante :
[3]
Figure imgf000017_0001
où Ji _bot,i(1 ) représente la première valeur précitée du courant Ji_bot , et Ji_bot (2) représente la deuxième valeur précitée du courant Ji _bot -
Ain Ji bot vérifie typiquement l’équation suivante :
[4]
Figure imgf000017_0002
où Ji _bot,i(1) représente également la première valeur précitée du courant J 1 bot , et Ji_bot (2) représente la deuxième valeur précitée du courant J 1 bot ; et
In représente l’opérateur mathématique logarithme népérien.
Le fonctionnement du système de caractérisation 10 selon l’invention, et en particulier du dispositif de détermination 20, va être à présent décrit en regard de la figure 4 représentant un organigramme du procédé de détermination du paramètre électrique de la cellule photovoltaïque tandem 12, ledit procédé de détermination étant mis en œuvre par le dispositif électronique de détermination 20.
Lors d’une étape 100, le dispositif d’injection 14 est commandé pour effectuer l’injection d’un premier signal d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque 12.
Lors de cette étape de commande 100, le dispositif électronique de détermination 20 commande par exemple, via son module de commande 40, le dispositif d’injection 14 pour effectuer cette injection.
Lors de cette étape de commande 100, le dispositif d’injection 14 est en variante commandé manuellement par l’opérateur.
Lors d’une étape suivante 1 10, le dispositif de détermination 20 acquiert alors, via son module d’acquisition 42 et le dispositif de mesure 16, un premier ensemble de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule 12, et la valeur du courant total Jext, résultant du premier signal d’excitation continue, ainsi que la valeur du premier signal d’excitation continue, telle que la tension d’excitation continue V2T.
Le procédé retourne alors à l’étape de commande 100 lors de laquelle le dispositif d’injection 14 est commandé pour effectuer l’injection d’un deuxième signal d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque 12, puis effectue l’étape suivante d’acquisition 110 lors de laquelle le module d’acquisition 42 acquiert, via le dispositif de mesure 16, un deuxième ensemble de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule 12, résultant du deuxième signal d’excitation continue.
Lors de l’étape de commande 100, chaque signal d’excitation continue est par exemple un signal d’excitation électrique, tel qu’une tension continue d’excitation électrique.
Lors de l’étape de commande 100, chaque signal d’excitation appartient avantageusement à une plage de valeurs pour laquelle seulement une sous-cellule parmi la première sous-cellule 22 et la deuxième sous-cellule 26 présente une luminescence élevée, la luminescence de l’autre sous-cellule parmi la première sous-cellule 22 et la deuxième sous-cellule 26 étant faible pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation. Selon cet aspect avantageux, la modélisation électrique équivalente de la cellule photovoltaïque tandem 12 lors de la luminescence différentielle est alors simplifiée, en particulier pour la sous-cellule présentant une luminescence faible.
À l’issue de la commande 100 de l’injection des signaux successifs d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque tandem 12, et de l’acquisition 110 des ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule 12, chaque ensemble acquis de N valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif, le procédé passe à l’étape suivante 120 lors de laquelle le dispositif de détermination 20 calcule, via son module de calcul 44, l’ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence.
Le paramètre électrique déterminé via le procédé de détermination selon l’invention est par exemple la résistance de shunt Rshtop de la première sous-cellule 22, et l’étape de calcul 120 comporte alors typiquement la détermination d’un courant J i bot circulant dans la deuxième sous-cellule 26, à partir de chaque valeur acquise de luminescence et de la tension d’excitation continue V2T correspondante, en particulier selon l’équation [1] précédente la détermination du courant local J1 _bot circulant dans la surface de la cellule photovoltaïque 12 vue par le pixel d’indice i. L’étape de calcul 120 comporte ensuite l’évaluation de chaque valeur de ladite résistance de shunt Rshtop,i, à partir d’une différence AJ1 bot.i entre lesdits courants et d’une différence AV2T entre les tensions d’excitation continue correspondantes, par exemple selon l’équation [2] précédente. Ainsi, le procédé de détermination et le dispositif de détermination 20 selon l’invention permettent de déterminer le paramètre électrique de la cellule photovoltaïque tandem 12, notamment à couche(s) mince(s), en particulier avec une couche mince pérovskite, par luminescence différentielle avec des signaux d’excitation continue, tels que des tensions d’excitation continue.
Le dispositif de détermination 20 selon l’invention permet avantageusement de déterminer plusieurs valeurs du paramètre électrique pour plusieurs zones élémentaires correspondantes de la cellule photovoltaïque tandem 12, en particulier lorsque le dispositif de mesure 16 est le capteur matriciel, chaque pixel du capteur matriciel permettant alors la détermination d’une valeur respective du paramètre électrique pour une zone élémentaire respective de ladite cellule 12.
On conçoit ainsi que le procédé de détermination et le dispositif de détermination 20 selon l’invention permettent de caractériser des cellules photovoltaïques tandem 12 notamment des cellules photovoltaïques tandem 12 avec une couche mince pérovskite.
L’homme du métier observera que l’invention n’est pas limitée à une cellule photovoltaïque tandem 12 de type pérovskite/silicium mais pourrait particulièrement s’appliquer à tout type de cellule tandem ayant des couches minces avec des temps de réponse (>1s) à un signal d’excitation électrique ou lumineux, non instantanés ou réversibles, incluant notamment des matériaux semi-conducteurs organiques ou pérovskite.
En outre, lorsque le dispositif de mesure 16 est le capteur matriciel d’images, chaque valeur de luminescence correspond à la valeur d’un pixel respectif de l’image, et chaque pixel représente alors une surface, ou zone, respective de la cellule photovoltaïque 12. Le procédé de détermination et le dispositif de détermination 20 selon l’invention permettent alors de caractériser la cellule photo voltaïque 12 avec une résolution en deux dimensions, et d’effectuer une cartographie en deux dimensions de la cellule photovoltaïque 12, le paramètre électrique étant déterminé pour chacune de ces zones respectives de la cellule photovoltaïque 12 et le découpage de la cellule 12 en zones étant matriciel similairement à la matrice de pixels formant l’image. Autrement dit, chaque valeur de l’ensemble calculé de N valeurs du paramètre électrique correspond alors à une zone respective de la cellule photovoltaïque 12. Le procédé de détermination et le dispositif de détermination 20 selon l’invention permettent donc une imagerie quantitative, le paramètre électrique étant déterminé à la bonne échelle et zone par zone de la cellule photovoltaïque 12, ce qui autorise avantageusement une interprétation de la caractérisation de la cellule photovoltaïque 12 sans recours à une référence.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photovoltaïque tandem (12), la cellule photovoltaïque tandem (12) comprenant une première sous-cellule (22) incluant une couche (24) d’un premier matériau semi- conducteur, et une deuxième sous-cellule (26) incluant une couche (28) d’un deuxième matériau semi-conducteur, la première sous-cellule (22) étant disposée au-dessus de la deuxième sous-cellule (26), le deuxième matériau semi-conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier matériau semi-conducteur, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique de détermination (20) et comprenant les étapes suivantes :
- commande (100), via un dispositif d’injection (14), d’une injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue (Exc1 , Exc2) dans la cellule photovoltaïque tandem (12) ;
- acquisition (110), via un dispositif de mesure (16), d’au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule (12), chaque ensemble acquis de N valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1 ; et
- calcul (120) d’un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence, caractérisé en ce que, lors de l’étape de commande (100), chaque signal d’excitation appartient à une plage de valeurs pour laquelle seulement la deuxième sous-cellule (26) présente une luminescence élevée, la luminescence de la première sous-cellule (22) étant faible pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif de mesure (16) est un capteur matriciel d’images, chaque image (11 , 12) comportant plusieurs pixels ; et lors de l’étape d’acquisition (110), chaque valeur de luminescence correspond à la valeur d’un pixel respectif, N étant alors égal au nombre de pixels dans chaque image.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lors de l’étape de commande (100), un ratio entre la luminescence élevée et la luminescence faible est supérieur à 100.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications, dans lequel le premier matériau semi-conducteur étant de préférence un matériau pérovskite ; le deuxième matériau semi-conducteur étant de préférence encore du silicium, tel qu’un silicium cristallin.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications, dans lequel le paramètre électrique est choisi parmi le groupe comportant : une résistance de shunt d’une sous- cellule, une résistance série d’une sous-cellule, un courant de saturation d’une sous- cellule ; une fonction de collecte d’une sous cellule (22, 26) ; une conductance non-ohmique d’une sous cellule (22, 26) de type couche mince.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications, dans lequel l’excitation continue (Exc1 , Exc2) est une excitation électrique ou une excitation optique ; l’excitation électrique étant de préférence une tension.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications, dans lequel le paramètre électrique est une résistance de shunt (Rshtop ) de la première sous-cellule (22), l’excitation continue est une tension continue appliquée aux bornes (30) de la cellule photo voltaïque tandem (12), et l’étape de calcul (120) comporte la détermination d’un courant (Ji bot ) circulant dans la deuxième sous-cellule (26), à partir de chaque valeur acquise de luminescence, de la tension d’excitation continue (V2T) correspondante et d’un courant total (Jext) traversant la cellule photo voltaïque tandem (12) ; puis l’évaluation de chaque valeur de ladite résistance de shunt (Rshtop ), à partir d’une différence (AJi bot ) entre lesdits courants et d’une différence (AV2T) entre les tensions d’excitation continue correspondantes.
8. Procédé selon les revendications 2 et 7, dans lequel le courant ( Ji_bot,i) est un courant local circulant dans une zone de la cellule photo voltaïque (12) vue par un pixel respectif ; la tension d’excitation continue (V2T) est la tension appliquée aux bornes (30) de la cellule photo voltaïque tandem (12) ; et la résistance de shunt (Rshtop ) de la première sous-cellule (22) est celle pour la zone de la cellule photovoltaïque (12) vue par ledit pixel respectif.
9. Programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
10. Dispositif électronique (20) de détermination d’un paramètre électrique d’une cellule photo voltaïque tandem (12), la cellule photo voltaïque tandem (12) comprenant une première sous-cellule (22) incluant une couche d’un premier matériau semi-conducteur, et une deuxième sous-cellule (26) incluant une couche d’un deuxième matériau semi- conducteur, la première sous-cellule (22) étant disposée au-dessus de la deuxième sous- cellule (26), le deuxième matériau semi-conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier matériau semi-conducteur, le dispositif électronique de détermination (20) comprenant :
- un module de commande (40) configuré pour commander, via un dispositif d’injection (14), une injection d’au moins deux signaux successifs d’excitation continue dans la cellule photovoltaïque tandem (12) ;
- un module d’acquisition (42) configuré pour acquérir, via un dispositif de mesure (16), au moins deux ensembles de N valeur(s) de luminescence de ladite cellule (12), chaque ensemble acquis de N valeur(s) de luminescence résultant d’un signal d’excitation continue respectif, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1 ; et
- un module de calcul (44) configuré pour calculer un ensemble de N valeur(s) du paramètre électrique à partir des ensembles acquis de N valeur(s) de luminescence, caractérisé en ce que chaque signal d’excitation appartient à une plage de valeurs pour laquelle seulement la deuxième sous-cellule (26) présente une luminescence élevée, la luminescence de la première sous-cellule (22) étant faible pour ladite plage de valeurs du signal d’excitation.
11. Système (10) de caractérisation d’une cellule photovoltaïque tandem (12), la cellule photovoltaïque tandem (12) comprenant une première sous-cellule (22) incluant une couche d’un premier matériau semi-conducteur, et une deuxième sous-cellule (26) incluant une couche d’un deuxième matériau semi-conducteur, la première sous-cellule (22) étant disposée au-dessus de la deuxième sous-cellule (26), le deuxième matériau semi- conducteur ayant un gap optique différent de celui du premier matériau semi-conducteur, le système (10) comprenant :
- un dispositif (14) d’injection d’un signal d’excitation continue dans la cellule (12) ;
- un dispositif (16) de mesure d’une luminescence de la cellule (12) suite à l’injection du signal d’excitation continue ; et
- un dispositif électronique (20) de détermination d’un paramètre électrique de la cellule (12), le dispositif électronique de détermination (20) étant selon la revendication 10 et connecté au dispositif de mesure (16).
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