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Univ. Paris-Saclay
30 août 2014
Vieillissement sous irradiation de cellules solaires pour des applications spatiales.
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La maitrise du vieillissement des cellules photovoltaïques à base de semi-conducteurs est un enjeu important du fait de leur coût. Pour les missions spatiales lointaines, l'enjeu est encore plus important puisque c'est de la fiabilité et de la robustesse des performances de cette source d'énergie embarquée que dépend le succès de la mission.

Les chercheurs de l'IRAMIS-LSI ont ainsi étudiés les performances de cellules photovoltaïque triple jonction GaInP/GaIn/Ge destinées à alimenter la sonde de la mission JUICE/Laplace (JUpiter ICy moon Explorer) qui sera lancée en 2022, pour être placée en orbite autour de Ganymède, satellite de Jupiter. Les performances des cellules et leur vieillissement sous irradiation, dans les conditions similaires à celles qui seront rencontrées au cours de la mission, ont plus particulièrement été étudiés et modélisés.

 

 

La mission JUICE/Laplace, prévue en 2022, par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a pour objectif d'explorer l'atmosphère de Jupiter et ses lunes glacées, en mettant une sonde en orbite autour de sa lune la plus importante : Ganymède. Du fait de sa distance au soleil (5.2 unités astronomiques, soit 800 millions de km), de la faible intensité du rayonnement solaire (0.037 AM0) et des basses températures (120 K), l'orbite de Jupiter est une limite de faisabilité pour les sondes spatiales, alimentée par l'énergie photovoltaïque et l'ESA souhaite donc par des études poussées maitriser et améliorer le comportement des cellules dans cet environnement hostile. La principale problématique vient de la dégradation provoquée par le bombardement continu par des particules de haute énergie (électron et protons), attirés par le champ magnétique géant de Jupiter.

Les cellules solaires utilisées dans la majorité des applications spatiales sont des jonctions triple (TJ) GaInP/GaIn/Ge. L'irradiation de ces cellules engendre des déplacements atomiques dans les différents matériaux composant la TJ. Les défauts ponctuels résultant de ces déplacements piègent les porteurs de charge électriques minoritaires produits par l’éclairement, ce qui réduit l’efficacité de collection des charges dans la jonction, et altère les caractéristiques électriques des cellules (puissance maximale Pm, courant de court-circuit JSC et tension en circuit ouvert VOC).

 

L'équipe autour de l'installation SIRIUS du LSI a commencé, fin 2013, un travail financé par l’ESA sur le vieillissement sous irradiation de cellules solaire TJ pour la sonde LAPLACE. Ces cellules sont développées par la société AzurSpace Solar Power GmbH. En employant l’accélérateur d'électrons haute énergie SIRIUS du LSI, nous avons simulé le vieillissement des cellules en fonction de conditions d’irradiation telles que la dose, le débit de dose et la température. Ces irradiations ont été couplées à des mesures électriques in situ pour analyser l’évolution des caractéristiques électriques de ces dispositifs sous irradiation.

Par ces expériences, il est ainsi possible de qualifier ces cellules photovoltaïques en prédisant leur efficacité dans le domaine de dose qui sera intégré pendant le temps de la mission. L'étude montre notamment que la nature, la concentration des défauts transitoires électroniques sont modifiés en fonction du débit de dose, ainsi que leur stabilité. Il a été aussi observé lors des premières irradiations sur SIRIUS que l’injection de porteurs de charges minoritaires au cours du fonctionnement de la cellule TJ, par son illumination, la polarisation de la cellule ou encore par irradiation électronique, entraine un recuit  des défauts. Ce processus sera actif lors de l'utilisation de la sonde dans l'espace.

L'ensemble des données recueillies contribuent ainsi à obtenir une modélisation fiable du dispositif photovoltaïque en fonctionnement. Cette étude se poursuit par une étude en température (100-300 K) in situ dans une cellule d'irradiation de grande taille (format A5) en développement au LSI, complété par un effort de modélisation de l'ensemble du dispositif, capable de reproduire l'ensemble des données pour les diverses conditions expérimentales explorées.

 

Contact CEA : Bruno Boizot (LSI).


Collaboration  : J.C. Bourgoin1, B. Boizot1, C. Baur2, V. Khorenko3.

1- Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole  Polytechnique, Palaiseau, France.

2- European Space Agency, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands.

3- AzurSpace Solar Power GmbH, Heilbronn, Germany.

 

Maj : 04/09/2014 (2388)

 

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