Comprendre les courbes I-V pour la caractérisation des cellules solaires

La courbe courant-tension (I-V) est la mesure de base du photovoltaïque, celle que l’on réalise au quotidien. Un seul balayage, qui dure quelques secondes, vous indique quelle puissance produit votre cellule solaire, ce qui la limite et, souvent, ce qui s’est mal passé lors de la fabrication. Savoir lire ces courbes avec aisance est l’une des compétences les plus précieuses que puisse acquérir un chercheur en photovoltaïque.

Ce qu’est réellement une courbe I-V

Le principe d’une mesure I-V est simple : on applique une tension aux bornes de la cellule, on mesure le courant qui la traverse, puis on change la tension d’un pas et on recommence. Un balayage allant d’un peu moins de 0 V à un peu plus que la tension de circuit ouvert décrit toute la caractéristique électrique de la cellule, sous l’éclairement que vous lui fournissez, quel qu’il soit.

Dans l’obscurité, une cellule solaire se comporte comme une diode de grande surface, et sa courbe I-V ressemble à l’exponentielle classique d’une diode, telle qu’on la voit dans les manuels. Sous éclairement, le courant photogénéré décale toute la courbe vers le bas : la cellule produit alors du courant sur une plage de tensions, et c’est dans cette zone, entre 0 V et Voc, qu’elle génère de la puissance. Si vous voulez les équations de la diode sous-jacentes, la page de PVEducation consacrée à la courbe I-V présente cette superposition de façon excellente et interactive.

Deux conventions à connaître pour lire les courbes publiées :

• Signe : la production de puissance est souvent représentée par un courant négatif (convention des physiciens), mais de nombreux articles inversent la courbe pour que la production apparaisse positive. Les deux conventions sont valables ; vérifiez simplement les axes.
• Courant ou densité de courant : pour comparer des cellules de recherche de tailles différentes, on divise le courant par la surface active, ce qui donne la densité de courant (J, généralement en mA/cm²). Vous verrez les termes « courbe J-V » et « courbe I-V » employés de façon presque interchangeable.

Une remarque pratique : pour parcourir cette courbe, il faut un instrument capable à la fois de fournir une tension et d’absorber le courant généré par la cellule. C’est pourquoi les tests de cellules solaires se font avec une unité source-mesure plutôt qu’avec une alimentation de laboratoire.

Les quatre paramètres principaux

Tension de circuit ouvert (Voc)

La Voc est la tension pour laquelle aucun courant net ne circule : le point où la courbe coupe l’axe des tensions. C’est la tension maximale que la cellule peut produire, et elle reflète la qualité du semi-conducteur et de ses interfaces. Une Voc plus élevée indique généralement :

• Une bande interdite de l’absorbeur bien adaptée et de faibles pertes fondamentales
• Une recombinaison réduite dans le volume et aux surfaces
• Une passivation efficace et des contacts sélectifs

Comme la recombinaison dépend exponentiellement de la tension, la Voc est extrêmement sensible aux défauts. Un lot de cellules aux valeurs de Voc dispersées signale généralement un traitement de surface irrégulier ou une contamination.

Courant de court-circuit (Isc) et densité de courant (Jsc)

L’Isc est le courant sous une tension appliquée nulle : le point où la courbe coupe l’axe des courants. Il dépend de la quantité de lumière absorbée par la cellule et de l’efficacité avec laquelle les porteurs ainsi créés sont collectés :

• Intensité et spectre de la lumière
• Surface active et pertes optiques (réflexion, ombrage par les contacts)
• Propriétés d’absorption du matériau
• Efficacité de collecte des porteurs

La Jsc est l’Isc divisé par la surface active, et cette division est une source bien connue de résultats gonflés. Si de la lumière pénètre dans la cellule en dehors de la surface que vous avez définie, ou si la surface elle-même est mesurée de façon optimiste, votre Jsc (et donc votre rendement) est surestimée. Utilisez un masque d’ouverture bien défini et mesurez-le correctement.

Le point de puissance maximale et le facteur de forme

La puissance est le produit de la tension par le courant, et quelque part entre Voc et Isc se trouve le point idéal : le point de puissance maximale (MPP), de coordonnées Vmp et Imp. Le facteur de forme mesure à quel point la courbe s’approche du rectangle idéal délimité par Voc et Isc :

FF = (Vmp × Imp) / (Voc × Isc)

Géométriquement, le FF est le rapport entre deux rectangles : celui que vous obtenez réellement (Vmp × Imp) et celui que donnerait une courbe parfaitement « carrée » (Voc × Isc). L’animation ci-dessous rend cela concret : observez la puissance délivrée augmenter puis s’effondrer à mesure que le point de fonctionnement se déplace, et l’endroit où il se stabilise.

Un facteur de forme élevé signifie que la courbe reste plate jusqu’à une tension élevée, puis chute brutalement : la cellule délivre ainsi presque tout son courant à une tension utile. Les bonnes cellules de laboratoire atteignent des facteurs de forme de 0,75 à 0,85 ; une valeur nettement inférieure à 0,7 signifie généralement que des résistances parasites ou des problèmes d’interface grignotent votre puissance (nous y reviendrons plus bas). Si vous devez estimer le FF maximal que permet une Voc donnée, la page de PVEducation sur le facteur de forme donne les expressions empiriques usuelles.

Rendement (PCE)

Le rendement est le rapport entre la puissance électrique produite et la puissance lumineuse reçue :

PCE = (Voc × Jsc × FF) / Pin

Pour obtenir des résultats comparables, on mesure les cellules dans les conditions de test standard : spectre de référence AM1.5G, intensité de 100 mW/cm², 25 °C. Dans ces conditions, Pin vaut 100 mW/cm², ce qui simplifie agréablement les calculs.

À titre indicatif, voici les valeurs de bons dispositifs à l’échelle du laboratoire :

Ces valeurs sont représentatives de cellules de recherche de haute qualité ; il ne s’agit ni de records ni de modules de production. Pour les rendements records confirmés de toutes les technologies photovoltaïques, consultez le graphique Best Research-Cell Efficiency du NREL/NLR.

Comment les résistances parasites déforment la courbe

Les cellules réelles comportent deux résistances indésirables, et chacune déforme la courbe d’une façon qui lui est propre.

La résistance série (Rs) regroupe tout ce qui se trouve sur le trajet du courant : résistance de contact, résistance carrée des électrodes transparentes, couches de transport, câblage. Elle vous fait perdre une tension proportionnelle au courant, si bien que ses dégâts se concentrent près du point de puissance maximale, là où la tension et le courant sont tous deux élevés. Sur la courbe, une Rs croissante arrondit le « coude » près de Voc et fait chuter le facteur de forme. Dans les cas extrêmes, le coude exponentiel disparaît complètement et la courbe tend vers une droite.

La résistance shunt (Rsh), ou résistance parallèle, représente les chemins de fuite qui contournent la jonction : micro-trous (pinholes) dans les couches minces, courts-circuits en bordure, rayures ou dommages dus à la gravure (scribing). Une cellule saine a une Rsh très élevée ; une cellule qui fuit perd du courant en proportion de la tension. Sur la courbe, une Rsh faible incline la partie plate près d’Isc et, dans les cas graves, commence aussi à faire baisser la Voc.

Deux règles empiriques en découlent : l’inverse de la pente de la courbe près de Voc donne une approximation de Rs, et l’inverse de la pente près d’Isc une approximation de Rsh. Notre outil d’analyse I-V utilise précisément ces estimations. Pour les démonstrations complètes à partir de l’équation de la diode, PVEducation détaille aussi bien la résistance série que la résistance shunt.

Le meilleur moyen de se forger une intuition est d’expérimenter. L’explorateur ci-dessous simule une cellule aux résistances parasites réglables ; observez l’effet de chacune sur la forme de la courbe, le facteur de forme et la puissance délivrée :

Remarquez que même des résistances parasites importantes ne déplacent presque pas Voc et Isc. C’est le facteur de forme qui encaisse presque tous les dégâts : voilà pourquoi le FF est le premier paramètre à examiner lorsqu’une cellule n’atteint pas les performances attendues.

Une subtilité à connaître : votre montage de mesure ajoute sa propre résistance série à celle de la cellule. Les cordons de mesure, les pointes de test et les connecteurs peuvent apporter assez de résistance pour déformer visiblement la courbe d’un dispositif sain. Cette erreur peut être évitée grâce à la mesure Kelvin 4 fils ; nous avons rédigé un guide consacré aux connexions Kelvin qui explique son fonctionnement.

Lire la forme de la courbe : petit guide de diagnostic

Une fois les paramètres et les effets parasites maîtrisés, la courbe devient un véritable outil de diagnostic. Voici quelques signatures courantes :

Une courbe en S mérite une mention particulière, car elle déroute les débutants : la courbe présente une inflexion, comme si la cellule n’arrivait pas à faire sortir son courant près de Voc. Il ne s’agit pas d’un effet de résistance ; une courbe en S indique généralement une barrière à l’extraction des charges à l’une des interfaces, et elle est fréquente sur les dispositifs organiques et pérovskites fraîchement fabriqués, avant que les contacts n’atteignent leur équilibre.

Les pièges de mesure qui faussent les paramètres

Une courbe déformée ne signifie pas toujours que la cellule est mauvaise. Les erreurs de mesure suivantes produisent des artefacts qui se font passer pour de la physique du dispositif :

• Vitesse et sens de balayage. Les cellules dont les processus internes sont lents (l’exemple le plus célèbre étant les pérovskites et leurs ions mobiles) peuvent présenter une hystérésis : les balayages aller et retour ne concordent pas. Mesurez toujours dans les deux sens, indiquez la vitesse de balayage et méfiez-vous des rendements annoncés à partir d’un seul balayage retour rapide. Zimmermann et ses collègues ont publié en libre accès, dans APL Materials, un protocole de mesure pour les cellules à hystérésis qui mérite d’être adopté.
• Absence de stabilisation. Les cellules ont besoin d’un moment sous éclairement et sous polarisation avant de se stabiliser. Balayer à l’instant où la lampe s’allume capture un régime transitoire, pas le dispositif.
• Résistance des cordons. Comme indiqué plus haut, les mesures 2 fils intègrent votre câblage dans la résistance série de la cellule. La mesure Kelvin élimine ce problème.
• Température. La Voc diminue quand la température augmente (environ -2 mV/°C pour le silicium), et les cellules chauffent vite sous un simulateur solaire. Ce n’est pas un hasard si les conditions standard imposent 25 °C : régulez la température de la cellule, ou donnez-lui au moins un historique thermique constant.
• Écrêtage par la limite de compliance. Si la limite de courant de votre instrument est réglée en dessous de l’Isc de la cellule, la courbe sature à plat à cette limite. On croirait un dispositif étrange ; c’est en réalité un problème de réglage.

Mesurer des courbes I-V avec le miniSMU

Le miniSMU MS01 a été conçu précisément pour cette mesure. Voici une méthode de départ pratique :

1. Connectez votre cellule à l’une ou l’autre des voies, avec le masque d’ouverture et l’éclairage déjà en place
2. Réglez une limite de compliance en courant légèrement supérieure à l’Isc attendu, pour que l’instrument protège le dispositif sans écrêter la courbe
3. Balayez d’environ -0,1 V jusqu’à environ 0,1 V au-delà de la Voc attendue
4. Utilisez la fonction de balayage I-V embarqué pour un intervalle régulier d’un point à l’autre, avec jusqu’à 1 000 points par balayage
5. Au-delà d’un simple tri rapide, activez le mode Kelvin 4 fils pour éliminer de la mesure la résistance des cordons

Vous pouvez piloter tout cela de façon interactive depuis l’application web, sans rien installer, ou l’automatiser par script en Python ou LabVIEW grâce à nos intégrations. Si vous préférez décrire votre mesure en langage courant et laisser un assistant IA écrire le script, consultez notre guide de rédaction de scripts avec l’IA.

Extraire automatiquement les paramètres

Une fois vos données acquises, inutile de sortir un tableur et une règle. Collez votre balayage (CSV, TSV ou valeurs séparées par des espaces, tel qu’il sort de la SMU) dans l’outil d’analyse I-V gratuit : il détecte les colonnes, trace la courbe et extrait Voc, Jsc, FF, PCE ainsi que des estimations de Rs et de Rsh, avec un export des graphiques prêt pour la publication.

Pour aller plus loin

Sur ce site :

• Pourquoi les connexions Kelvin sont importantes pour les tests I-V de cellules solaires – éliminer de vos mesures la résistance des cordons
• Outil d’analyse I-V – extraction automatique des paramètres à partir de vos données
• Outil d’analyse EQE – calcul de la Jsc à partir de données de rendement quantique
• Documentation du miniSMU – référence complète de l’appareil

Ailleurs :

• PVEducation – le manuel en ligne gratuit sur les fondamentaux du photovoltaïque, par Honsberg et Bowden
• Graphique Best Research-Cell Efficiency du NREL/NLR – les rendements records confirmés de chaque technologie photovoltaïque depuis 1976
• Zimmermann et al., APL Materials 4, 091901 (2016) – un protocole de mesure fiable et en libre accès pour les cellules solaires pérovskites