Effet de la Température sur la capacité de diffusion d’une photopile

Les photopiles sont des structures à base de semi-conducteurs (Germanium, silicium, arséniure de galium, tellurure de cadmium…) qui ont subits un ajout d’atomes de matériaux (bore, phosphore….), appelé « dopage ». Ainsi deux types de semi-conducteurs (p et n) sont obtenus et leur accolement produit la jonction n/p ou p/n (principe d’Helmholtz). La formation de cette jonction est le résultat de la migration de charges majoritaires vers la zone dépeuplée (électrons vers le semi-conducteur de type (p) et les trous vers le type(n)). Ces charges constitueront les charges fixes (-) dans le type(p) et (+) dans le type(n). Elles délimitent deux surfaces de charges opposées et assimilables à un condensateur plan (avec un champ électrique intense), appelé capacité de transition(ou transitionnelle) Cz .

Lorsque la photopile est sous éclairement (mono ou polychromatique) les photons d’énergie supérieure à l’énergie de gap (hv > Eg, qui est la différence d’énergies des niveaux de bandes de conduction et de valence) sont absorbés et provoque la création de paires électron-trou (porteurs minoritaires de charge), qui diffusent par la suite dans la structure, pouvant subir le phénomène de recombinaison(en volume et en surface), ou traverser la jonction et contribuer au photocourant. L’accumulation de ces porteurs minoritaires (apparition de différence de potentielle électrique) dans les régions (n) ou (p) de la structure de la photopile produit la capacité de diffusion(Cd).

Cette capacité de diffusion est issue de phénomènes physiques que sont : la génération de paires électron-trou, diffusion et recombinaison dans la photopile. Elle a été étudiée comme une extension [1-3] de la capacité de la zone de charge d’espace(CZ), prenant en compte le point de fonctionnement(décrit par la vitesse de recombinaison à la jonction), et la profondeur de pénétration de la lumière à travers le coefficient d’absorption du matériau.

Temperature Effect on Capacitance of a Silicon Solar Cell under Constant White Biased light

Dans cet article, l’étude a été faite en régime statique sous un rayonnement polychromatique. L’expression de la capacité a été utilisée pour déterminer l’expression de Co(T) de la photopile au silicium de type n+ -p-p+ (figure. 1) en court circuit. L’expression de la densité des porteurs minoritaires en excès à partir de l’équation de continuité. L’expression de la phototension a été établie en partant de celle de la densité des porteurs minoritaires de charge dans la base de la photopile. Et le rendement de la capacité qui dépend de Xcc(T) est étudié. La densité des porteurs minoritaires en excès (figure. 2) en fonction de la profondeur de la base (point Xo de densité maximum) et la capacité (figure 3) en fonction de la vitesse de recombinaison (théorie de l’extension de la zone de charge d’espace par changement du point de fonctionnement) pour différentes valeurs de la température, sont produites et analysées.

Capacitance of vertical parallel junction silicon Solar Cell under Monochromatic Modulation Illumination

L’objectif de cette étude est de montrer l’influence de la longueur d’onde sur les paramètres électriques d’une photopile au silicium à jonction verticale parallèle en utilisant la technique de spectroscopie de l’impédance. La capacité de la zone de charge de l’espace a été étudiée en se basant sur les diagrammes de BODE(Figure 4, a, b, c, d ), et NYQUIST (Figure 5, a, b, c, d ), lorsque la photopile est éclairée sous différentes longueurs d’onde, fonctionnant en circuit-ouvert ou en court-circuit. Lorsque la longueur d’onde varie, le diamètre obtenu en court-circuit est plus large que celui calculé en circuit-ouvert, justifiant l’extension de la zone de charge d’espace par déplacement du point de densité maximum dû à la longueur, et aussi par variation du point de fonctionnement.

ETUDE THEORIQUE

Notre étude porte sur l’examen de la capacité de diffusion, qui nécessite la résolution de l’équation de diffusion relative à la densité des porteurs minoritaires, générés par une illumination monochromatique en modulation de fréquence dans la base d’une photopile au silicium à jonction verticale série, sous variation de températures. L’étude théorique produite dans ce chapitre, permet de retrouver la densité des porteurs minoritaires affectée des conditions aux limites de la base de la photopile, marquée par les vitesses de recombinaison surfaciques. La température de fonctionnement de la photopile influence le coefficient de diffusion et la mobilité des porteurs de charge [5,6]. Le coefficient d’absorption apparaissant dans l’expression du taux de génération, marquera la profondeur de pénétration de la lumière Associée à l’expression de la phototension obtenue par la relation de Boltzmann, celle de la capacité de la photopile sera établie.

Description de la photopile 

L’émetteur de type n+ : l’épaisseur est faible (0,5 à 1µm), elle est fortement dopée en atome donneur (10¹⁷ à 10¹⁹ cm-3), on l’appelle également face avant.

❖ Jonction Emetteur-Base (Zone de Charge d’Espace ZCE) : Entre les deux(2) zones du semi-conducteur dopés différemment (émetteur de type n et la base de type p), il existe une jonction où règne un champ électrique intense. Ce champ permet de séparer les paires électron-trous qui arrivent à la jonction.
❖ La Base P: Cette partie est peu dopée en atomes accepteurs (10¹⁵ à 10¹⁶ atome.cm-3) et son épaisseur est beaucoup plus important qui varie de 170 à 200µm où les porteurs minoritaires sont les électrons.

Le champ électrique arrière (back surface field) de type p: est la zone située en phase arrière de la base, elle est sur dopée en atome accepteurs (10¹⁷ à 10¹⁹ atome par cm-3) par rapport à la base. Cela induit l’existe d’un champ électrique qui permet de renvoyer vers l’interface émetteur-base les porteurs minoritaires générés près de la face arrière.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
I-1) Temperature Effect on Capacitance of a Silicon Solar Cell under Constant White Biased light [ Ref]
I-2) Capacitance of vertical parallel junction silicon Solar Cell under Monochromatic Modulation Illumination[ Ref]
I-2-1) Bode Diagram Capacitance of the Solar Cell under Open Circuit Condition: Effect of
I-2-2) Bode Diagram Capacitance of the Solar Cell in Short-Circuit Operating: Effect of the Wavelength
I-2-3) Nyquist Diagram of the Solar Cell Capacitance in Open Circuit Operating: Effect of the Wavelength
I-2-4) Nyquist Diagram of the Solar Cell Capacitance in Short-Circuit Operating: Effect of the
I-3) Impact of Irradiation on the Surface Recombination Velocity of a back side monochromatic illuminated Bifacial Silicon Solar Cell under Frequency Modulation [Ref]
I-3-1) Bode and Nyquist Plots Relating to Sb and Sb
I-3-1-1) Bode Plots
I-3-1-2) Nyquist Plots for Sf and Sb
I-3-2) Equivalent Electrical Circuit Model for an Irradiation Energy Equal to 50 MeV
I-3-2-1) Junction Recombination Velocity Sf
I-3-2-2) Back side Recombination Velocity Sb
I-3-3) Graphical method for determination of electric parameters (Rseq, Rpeq and Leq)
I-4) AC Recombination Velocity in a Lamella Silicon Solar Cell.[REF?]
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE THEORIQUE
Introduction
Description
Schema de la photopile
TAUX DE GENERATION
CHAPITRE III : RESULTATS ET DISCUSSIONS
III.1 Profil du coefficient de diffusion en fonction de la pulsation pour différentes valeurs de la température
II. Profil de la densité des porteurs minoritaires en fonction de l’épaisseur de la base ( en court-ouvert)
II.1 Pour différentes valeurs de la température
II.2 Pour différentes valeurs de la pulsation
II.3 Influence des grandes valeurs de la longueur d’onde
II.4 Influence des courtes valeurs de la longueur d’onde
II. Profil de la densité des porteurs minoritaires en fonction de l’épaisseur de la base ( en court-circuit)
II.1 Pour différentes valeurs de la température
II.2 Pour différentes valeurs de la pulsation
II.3 Influence des grandes valeurs de la longueur d’onde
II.4 Influence des courtes longueurs d’onde
V. Profil de la phototension en fonction de la vitesse de recombinaison
V.1 Pour différentes valeurs de la température
V.2 Pour différentes valeurs de la pulsation
V.3 influences des grandes valeurs de la longueur d’onde
V.4 influences des courtes longueur d’onde
VI. Capacité de diffusion
VII.1 influence de la Température
VII.2 : influence de la pulsation
VII.3 : Courtes longueurs d’onde
VII.4 : Grandes longueurs d’onde
VIII Diagramme de Bode, de la Phase et la representation de Nyquist
VIII.1 : En situation de circuit ouvert
VIII .1.1 : Bode de la capacité sous effet de la température
VIII.1.2: Phase de la capacité sous effet de la température
VIII.13. Nyquist de la capacité sous effet de la témpérature
VIII.2 : En situation de court-circuit
VIII.2.1 : Diagramme de Bode de la Capacité sous effet de la température
VIII.2.1 Phase de la capacité sous effet de la température
VIII.2.3 Représentation de Nyquist sous effet de la température
Conclusion
Conclusion générale

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