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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/309046637 Etude et simulation d’une cellule thermo-photovoltaïque Thesis · May 2012 CITATION 1 READS 1,199 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Electronic properties for organic semiconductor View project Zakarya Berkai Université Tahri Mohammed Béchar 19 PUBLICATIONS 11 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Zakarya Berkai on 13 October 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITE DE BECHAR Faculté des Sciences et Technologie ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ Mémoire Pour l’Obtention du Diplôme de Magistère En : physique énergétique UTHEME : Présenté par : Berkaï Zakaria ULes membres du jury : Nom Prénom Grad Université d’origine Président Helmaoui Abderrachid Professeur Univ. Béchar Examinateur Saidane Abdlkader Professeur ENSET Oran Examinateur Khachab Hamid M.C Univ. Béchar Examinateur Daoudi Memarka M.C Univ. Béchar Encadreur Belghachi Abdarrahmane Professeur Univ. Béchar Année universitaire : 2011/2012 Etude et simulation d’une cellule thermo-photovoltaïque I Remerciement Je tiens à remercier Mr A.Belghachi, Professeur à l’Université de Béchar qui a accepté de m’encadrer, je lui exprime particulièrement toute ma reconnaissance pour m’avoir fait bénéficier de ses compétences scientifiques, ses qualités humaines et sa constante disponibilité. Je remercie sincèrement : Mes enseignants Monsieur A.helmaoui Professeur à l’Université de Béchar et Mademoiselle M.Daoud maitre de conférences à l’Université de Béchar ; Monsieur A.Saidane, Professeur à l’ENSET Oran ; Monsieur H.Khachab, maitre de conférences à l’Université de Béchar ; D’avoir accepter de faire partie du Jury. A tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à la réalisation de ce travail. Z. Berkaï II Dédicaces A l’âme de ma mère qui été pour mon corps mieux qu’un cœur ; A mon cher père qui à sacrifié son temps pour nous ; A l’âme de ma grande mère Bensiade Fatima; A l’âme de mon grand père Meziane miloude; A ma cher; A mes frères : Nadjib, Omar, Hafsa, Hode et le petit Sofiane ; A mes oncles et surtout mon tante Khadîdja; A toute ma grande famille Bekraï, Bensiade et Meziane; A mes collègues des études ; Et à tous mes amis. UZ. Berkaï III ﻣﻠﺨﺺ ﻓﻲ ﻫﺬﻩ ﺍﻟﻤﺬﻛﺮﺓ ﺳﻨﺪﺭﺱ ﺍﻟﺨﻠﻴﺔ ﺍﻟﺤﺮﺍﺭﻓﻮﻃﻮﺿﻮﺋﻴﺔ، ﺍﻟﻤﺼﻨﻮﻋﺔ ﻣﻦ ﺍﻟـ GaSb ، ﻭ ﻫﺬﺍ ﺍﻟﻨﻮﻉ ﻣﻦ ﺍﻟﺘﺤﻮﻳﻞ ﻓﺮﻉ ﻣﻦ ﻓﺮﻭﻉ ﺍﻟﺘﺤﻮﻳﻞ ﺍﻟﻔﻮﻃﻮﺿﻮﺋﻲ. ﺍﻟﻔﺮﻕ ﺑﻴﻦ ﺍﻟﻔﻮﻃﻮﺿﻮﺋﻲ ﻭ ﺍﻟﺤﺮﺍﺭﻓﻮﻃﻮﺿﻮﺋﻲ ﻳﻜﻤﻦ ﻓﻲ ﺍﻟﻄﻴﻒ ﺍﻟﻀﻮﺋﻲ ﺍﻟﻤﺤﻮﻝ. ﺳﻨﻌﺘﻤﺪ ﻋﻠﻰ ﻧﻤﻮﺫﺝ ﺍﻟﺨﻼﻳﺎ ﺍﻟﺸﻤﺴﻴﺔ ﺍﻟﻌﺎﺩﻳﺔ ﻓﻲ ﺣﺴﺎﺏ ﺍﻟﺘﺠﺎﻭﺏ ﺍﻟﻄﻴﻔﻲ ﻭ ﺷﺪﺓ ﺍﻟﺘﻴﺎﺭ ﺍﻟﻀﻮﺋﻲ ﻭ ﺗﻮﺗﺮ ﺍﻟﺪﺍﺭﺓ ﺍﻟﻤﻔﺘﻮﺣﺔ ﻭ ﻣﻌﺎﻣﻞ ﺍﻟﺸﻜﻞ ﻭ ﻣﺮﺩﻭﺩ ﺍﻟﺨﻠﻴﺔ. ﺳﻨﻌﺘﻤﺪ ﻛﺬﻟﻚ ﻋﻠﻰ ﺍﻟﺪﺭﺍﺳﺔ ﺍﻟﺤﺮﺍﺭﻳﺔ، ﻟﻤﻌﺮﻓﺔ ﺗﺄﺛﺮ ﺍﻟﺤﻠﻴﺔ ﺑﺪﺭﺟﺔ ﺣﺮﺍﺭﺓ ﻋﻨﺎﺻﺮ ﺍﻟﻨﻈﺎﻡ ﺍﻟﺤﺮﺍﺭﻓﻮﻃﻮﺿﻮﺋﻲ. Résumé Dans ce mémoire, on a étudié une cellule thermo-photovoltaïque (TPV) à base de GaSb qui constitue branche des cellules solaire. La seule différence est dans la partie du spectre affectivement converti. On a adopté le modèle des cellules solaires ordinaire pour simuler la réponse spectrale, le photo-courant, la tension de circuit-ouvert, le facteur de forme et le rendement. Une étude thermique est aussi faite pour simuler l’effet de la température sur les composants du système TPV notamment le filtre et l’émetteur. IV Abstract In this dissertation, we investigated the thermophotovoltaic cell (TPV) based on GaSb which is a branch of solar cells. The only difference is the part of the specter effectively converted. To do this, we adopted the solar cells common model to simulate the spectral response, photocurrent, open circuit voltage, the fill factor and the energy conversion efficiency. A thermal transfer study was also conducted in order to simulate the effect of temperature on the TPV system components namely the emitter and filter. V Sommaire Remerciement ............................................................................................................................. I Dédicaces .................................................................................................................................... II Résumé ........................................................................................................................................ III Sommaire ..................................................................................................................................... V Chapitre 1: Introduction générale Introduction ................................................................................................................................ 2 1. Historique ............................................................................................................................... 2 2. Principe de la conversion d'énergie thermo- photovoltaïque ........................... 4 3. Comparaison entre la conversion thermo-photovoltaïque et la conversion photovoltaïque : ........................................................................................................................ 5 4. Les applications TPV ........................................................................................................... 6 Chapitre 2: Les matériaux de cellule TPV 1. les composants TPV ............................................................................................................ 9 1-1. Le système thermique: ................................................................................. 9 1-2. Le système optique: ................................................................................... 10 1-3. La Cellule thermo-photovoltaïque: ............................................................ 10 2. Les sources thermiques pour la TPV ....................................................................... 10 3. Le système optique .......................................................................................................... 11 3-1. Les matériaux de l'émetteur ....................................................................... 12 3-2. Les matériaux des filtres ............................................................................ 14 4. Les cellules thermo-photovoltaïques........................................................................ 15 VI 4-1. Les cellules TPV á base de Germanium .................................................... 17 4-2. Les cellules TPV basées de Silicium ......................................................... 18 4-3. Les cellules TPV de GaSb ......................................................................... 20 4-5. Cellules TPV basée sur l’alliage de InAs et GaSb .................................... 21 4-6. La cellules multi-jonction GaSb / InGaAsSb de TPV ............................... 22 Chapitre 3: Modélisations des cellules thermo-photovoltaïques 1. Cellule Thermo-photovoltaïque GaSb ....................................................................... 24 2. Le Semi-conducteur GaSb .............................................................................................. 24 2-1. Différents types de dopage ....................................................................... 24 2-1-1. Semi-conducteur dopé n ..................................................................... 24 2-1-2. Semi-conducteur dopé p ...................................................................... 24 2-2. L’absorption de la lumière ......................................................................... 25 2-3. la mobilité .................................................................................................. 25 2-4. Recombinaison ........................................................................................... 26 2-4-1. La recombinaison radiative ................................................................ 26 2-4-2. La recombinaison Auger ..................................................................... 27 2-4-3. La recombinaison en surface ............................................................... 28 3. Jonction PN .......................................................................................................................... 28 3-1. Polarisation de la jonction PN ................................................................... 29 3-2. La jonction PN sous éclairement ............................................................... 29 3-2-1. Le spectre arrive à la cellule TPV ....................................................... 30 3-2-2. La Réponse spectrale .......................................................................... 34 3-3. Le circuit équivalent .................................................................................. 39 4. L’effet de la température ................................................................................................ 41 4-3. La bande Interdite ...................................................................................... 41 4-4. La concentration du porteur intrinsèque .................................................... 42 4-5. Le courant et la tension .............................................................................. 42 5. La simulation de l’opération de la cellule thermo-photovoltaïque .............. 43 VII Chapitre 4: Résultats et Discutions 1. L’énergie fournie par la cellule TPV GaSb ............................................................... 46 1-1. Le caractéristique I-V de la cellulle GaSb ................................................. 48 2. L’effet de la température ................................................................................................ 49 2-1. L’effet de la température de l’émetteur ..................................................... 49 2-2. L’effet de la température de la cellule ....................................................... 54 2-2-1. Effet de température sur les paramètres du GaSb (Eg, ni 2-2-2. Effet de température sur l’énergie électrique ...................................... 57 ) ..................... 54 Conclusion générale ............................................................................................................. 60 Bibliographie ........................................................................................................................... 61 Page | 1 Chapitre 1 Introduction Générale Page | 2 Introduction La simplicité et le haut rendement sont deux caractéristiques attirantes qui mènent beaucoup d'applications de la conversion thermo-photovoltaïque (TPV). Les seules parties du système à mouvement sont le ventilateur et la pompe qui peuvent être utilisées pour refroidir la cellule PV. Les composants du système sont : la source thermique, l'émetteur, peut-être un filtre et la cellule PV. Ces composants sont des corps solides. En plus de la simplicité et le haut rendement, la conversion TPV peut être associée facilement à toute source thermique. 1. Historique L'origine de la technologie TPV revient à la fin d’année 1950 et le début de 1960. La plupart des références citent l'inventeur de la technologie TPV, le Dr. Pierre Aigrain. Pendant une série de conférences, il a proposé un processus de la conversion d'énergie direct qui consiste en un émetteur radiant réchauffé par une flamme et un semi-conducteur photo-convertisseur. Dr. Henry H. Kolm a utilisé une lanterne de camping et une cellule solaire de silicium pour créer un dispositif TPV simple. Il a aussi suggéré des améliorations au système et il a estimé un rendement de la conversion de 5-10% pour cette nouvelle technologie. [1][2] L'Armée américaine à fort Monmouth a joué un rôle important dans le développement de la technologie TPV en 1960. Un de ses objectifs a été de réaliser une source de puissance portable sans bruit et la TPV était une des meilleurs candidats pour ce but. L’activité de la recherche à Fort Monmouth a contribué au développement de la technologie TPV. Pour la première fois, les Chapitre 1 Introduction Générale Page | 3 propriétés de l'émittance d’oxyde de terre rare à haute température ont été rapportées. Ce matériau est utilisé comme un émetteur dans la TPV. [1][2] Dans la même période, l'intérêt industriel de cette nouvelle technologie a grandi aussi: General Motors (GM) en particulier a été très actif dans la recherche et le développement du dispositif TPV. Dans le cadre d'un programme de développement de TPV; le concept d’une surface arrière réflecteur a été appliqué pour la première fois.[2] Au milieu de 1970 la recherche TPV a subi un ralentissement considérable. GM a arrêté le développement de TPV à cause de la crise d'énergie et le besoin d'amélioration du rendement de la consommation du carburant. [2] La situation a changé quand les dispositifs III-V de petite bande interdite sont devenus disponibles. Les cellules utilisées sont basées sur ces matières (GaSb, InGaSb...). Depuis 1990, plusieurs programmes des recherches TPV ont commencées au USA et les NREL (National Renewable Energy Laboratory) ont joué un rôle important dans des séries de conférences de TPV. [2] Aussi en Europe les recherches sont renouvelées par plusieurs instituts (Fraunhofer ISE à Fribourg, Paul Scherrer Institut dans Viligen et ISET à Kassel) impliqués dans le développement des systèmes TPV. Les conférences internationales de l'activité TPV en Europe ont été organisées à Rome (2002), Fribourg (2004) et uploads/Litterature/ etudeetsimulation-tpv 1 .pdf