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La jonction P-N
La mise en contact d’un semi-conducteur de type P et d’un semi-conducteur de type N crée une jonction P-N. Cette mise en contact va entrainer une migration des porteurs majoritaires de chaque semi-conducteur de part et d’autre de la jonction afin d’équilibrer les niveaux de Fermi. Cette migration va conduire à un appauvrissement en porteur de la zone située à proximité de l’interface des deux semi-conducteurs, laissant ainsi des charges fixes sur des ions, chargés négativement dans la partie P et positivement dans la partie N. Dans cette zone de déplétion, appelée zone de charge d’espace (ZCE), le semi-conducteur de type P devient chargé négativement, et le semi-conducteur de type N devient chargé positivement. Une différence de potentiel ( ) s’établit alors à l’interface des deux semi-conducteurs, créant ainsi un champ électrique orienté de P vers N. En dehors de la ZCE, les semi-conducteurs restent neutres. Un schéma représentant les diagrammes énergétiques des deux semi-conducteurs avant et après leur mise en contact est représenté sur la Figure I-2. Lorsque les deux semi-conducteurs sont issus d’un même matériau, on parle d’homojonction (comme les cellules solaires à base de silicium). Lorsqu’ils sont issus de matériaux différents, On parle d’hétérojonction (comme les cellules à base de CIGS)
Différentes types de cellules solaires en couche mince
Les cellules solaires à couches minces à base de Tellurure de cadmium (CdTe)
Jusqu’à une date récente, il était admis que la filière à base de sulfure de Cadmium et de Tellure de Cadmium (CdS-CdTe) représentait l’une des approches les plus prometteuses pour le photovoltaïque terrestre. La valeur de 1,45eV de la bande d’énergie interdite du CdTe est idéalement adaptée au spectre solaire. En outre, son très grand coefficient d’absorption fait que la quasi-totalité du spectre est absorbé sur une profondeur de 2μm.
Les résultats de rendement de conversion sont très encourageants : près de 11% sur une surface de 4900 cm².Cependant, les problèmes d’environnement associés à l’utilisation du Cadmium freinent les tentatives de développement de cette filière [6].
Les cellules solaires a couches minces à base de CuInSe2 et Cu(In,Ga) Se2
Le début de la production à plusieurs endroits fournit un nouveau défi pour la recherche sur ce matériau.
Cependant, ces accomplissements récents sont basés sur une longue histoire de recherche et de développement technologique. Le diséléniure de cuivre et d’indium CuInSe2 (ou CIS) a été synthétisé pour la première fois par Hahn en 1953. En 1974, ce matériau a été proposé comme matériau photovoltaïque avec une efficacité de conversion de puissance de 12% pour une pile solaire monocristalline. Dans les années 1983-84, Boeing Corp a obtenu des rendements au-dessus de 10% des films polycristallins minces obtenus à partir d’un processus de Coévaporation de trois sources. En1987 Arco Solaire a réalisé un rendement de 14,1%, record de longue durée (10 ans) pour une cellule en couche mince. Avant Arco Solaire, les industries solaires de Siemens (maintenant Shell solaire), avaient entamé l’étape de production industrielle. Les premiers modules publicitaires solaires de diséléniure de cuivre d’indium et de gallium Cu(In,Ga)Se2 ou encore le CIGS étaient disponibles en 1998. La technologie CIGS présente actuellement le meilleur rendement de production pour une cellule et pour des modules par rapport à toutes les technologies à couches minces inorganiques avec des cellules pouvant dépasser les 20% en laboratoire et des modules commerciaux de 12%. Cependant, il reste un grand nombre de points à améliorer afin de réduire le prix de ces cellules. Le principal challenge de la technologie CIGS couche mince est la réduction du prix des matériaux. La structure de base de la cellule Cu(In,Ga)Se2 est représentée sur la figure I-5 [1].
Cellules solaires a couche mince à base de CIGS
Le CIGS est le matériau clé dans les cellules dont il convient d’étudier les propriétés structurales et optoélectroniques [5].
Propriétés structurales du CIGS
La détermination des propriétés structurales dans la physique des matériaux joue un rôle très important, car elle permet de recueillir des informations sur la structure microscopique.
Les composés Cu(In,Ga)Se2 adoptent différentes structures. Ces structures se caractérisent par une distribution d’atomes, avec quatre atomes de valence par site atomique. Ces structures sont dérivées de celle de ZnS (blende de zinc) type diamant, qui présente deux sous-réseaux interpénétrés (anions et cations) cubiques à faces centrées, décalés d’un vecteur (1/4,1/4,1/4). Dans le cas du CIGS, le sous-réseau cationique se partage entre cations de valences inférieure et supérieure. La structure est de type sphalérite s’il y a distribution aléatoire des sites cationiques. Sinon, suivant la répartition des cations (I) (ici le Cu) et (III) (ici l’In ou le Ga), les composés adoptent une structure soit chalcopyrite soit « Cu-Au ».
Dans ce cas, des déformations dues aux deux cations de taille différentes surviennent : la structure n’est plus cubique mais quadratique (aussi appelée tétragonale). Par conséquent le rapport c/a des paramètres de maille est différent de 2. La phase Cu-Au se distingue de la phase chalcopyrite par la position des cations (III), qui sont alignés sur un plan, alors que la phase chalcopyrite présente les deux types de cations (I) et (III) ordonnés dans chaque plan. La structure chalcopyrite est la phase thermodynamique stable pour des températures inférieures à 600°C. C’est celle qui possède les caractéristiques optoélectroniques requises : c’est donc cette phase qui doit être présentée dans les dispositifs photovoltaïques. Les paramètres de maille sont contrôlés par la composition du ternaire (CuInSe2, CuGaSe2, CuInS2, CuGaS2…). Ils suivent la loi de Vegard. Pour les chalcopyrites intégrant les atomes les plus petits (Ga au lieu de In, S au lieu de Se), la maille cristalline se contracte, donc le paramètre de maille (a) diminue, et inversement pour les atomes plus gros.
Les variations de composition ont également une influence sur les valeurs de bande interdite. Les énergies des bandes interdites varient entre 1,0 eV pour CuInSe2 et 2,40 eV pour CuGaS2. De façon tout à fait qualitative, on peut dire que pour des atomes plus lourds avec une polarisabilité plus grande (In par rapport au Ga ou Se par rapport au S), les bandes de valence/conduction s’élargissent, et la valeur de la bande interdite de la chalcopyrite diminue [5].
La structure cristalline du CIGS appartient au système Tétragonale dont les atomes de Se, anions sont aux centres des tétraèdres cationiques et les cations Cu, In et le Ga sont répartis sur les différents sites du réseau cristallin.
Proprietes optiques du CIGS
Il est d’un grand intérêt de connaître les différentes manières dont la lumière interagit avec la matière dans la physique de l’état solide, tels que l’absorption, la transmission, la réflexion, la diffusion et l’émission. L’étude des propriétés optiques des solides s’est avérée être un puissant outil dans notre compréhension des propriétés électroniques des matériaux.
L’absorption optique
Soit un faisceau lumineux d’énergie E= ℎυ arrivant à la surface d’un semiconducteur.
Une partie de ce faisceau est réfléchie.
Selon la longueur d’onde, le faisceau incident traverse le cristal sans ou avec atténuation. L’intensité d’une onde lumineuse, I, décroît exponentiellement suivant la loi de Bouguer Lambert. I I0 expx ( Eq.I 5 ) I(flux incident)=R(réfléchi)+A(absorbé)+T(transmis)
Le coefficient : qui exprime la probabilité d’absorption d’un photon sur une unité de longueur s’appelle coefficient d’absorption [6].
Coefficient d’absorption
Le coefficient d’absorption, α, peut être exprimé sous la forme : (h Eg) ( Eq.I 6 )
Où est une constante dépendant de la nature des transitions.
Pour une transition verticale permise entre extremums, dites transitions directes: = 1/2. C’est le cas pour une cellule CIGS qui a un gap direct [6]. Le CIGS a aussi un coefficient d’absorption très élevé, variant entre à dans le domaine du visible et le proche infrarouge. De plus nous allons voire les propriétés électroniques du CIGS. I.3.3-Propriétés électroniques
L’importance des propriétés électroniques d’un matériau réside dans le fait qu’elles nous permettent d’analyser et de comprendre la nature des liaisons qui se forment entre les différents éléments de ce matériau.
Couche absorbante CIGS
C’est la couche qui génère les paires électron-trous en absorbant les photons solaires. Une bonne couche absorbante doit être constituée d’un matériau dont un coefficient d’absorption élevé (de l’ordre de 105 ) dans le domaine du visible et une largeur de la bande interdite, de préférence directe, comprise entre 1,1 et 1,7 eV pour absorber tous les rayonnements solaires dans une épaisseur très réduite (1 à 2μm) [4].
Il a été constaté que le rapport de flux du métal sélénium affecte la croissance des grains de couches minces CIGS.
D’un point de vue électrique, les joints de grains sont préjudiciables à la performance des cellules solaires de deux façons :
Ils agissent comme des pièges pour la recombinaison de photoélectrons générés avec des trous. Ce qui a été identifié comme un mécanisme de perte importante dans les dispositifs photovoltaïques polycristallins en général et en particulier dans le dispositif photovoltaïque à base de CIGS.
Ils contribuent à la formation d’une charge de surface positive, située aux limites des grains. Il en résulte une charge positive dans une région de déplétion et une barrière de potentiel pour les électrons dans le voisinage des joints de grains. Ainsi, le dopage effectif de type P de la couche CIGS est diminué.
D’un autre côté, une réduction de l’utilisation des matériaux est particulièrement importante pour l’indium et le gallium. Ceci devrait permettre une baisse significative des coûts de production. Effectivement, à travers une diminution très importante de la quantité d’indium, peu abondant et donc relativement coûteux, ainsi qu’à travers la réduction du temps de réalisation de la cellule, le coût de réalisation est diminué. Le temps de dépôt de la couche de CIGS pourrait également être réduit pour des couches CIGS plus minces, qui seront directement produites avec des coûts inférieurs.
L’épaisseur standard des couches Cu(In,Ga)Se2 ou (CIGS) dans les cellules solaires à couche mince CIGS est actuellement de 1,5μm à 2μm. Si cette épaisseur pouvait être réduite, sans, ou seulement avec une perte de performance minimale, les coûts de production pourraient être diminués. Cependant, la réduction de l’épaisseur de la couche absorbante est associée à un certain nombre de problèmes.
Plusieurs études ont été effectuées pour voir l’influence de la réduction de l’épaisseur de CIGS sur les performances de la cellule solaire. Dans une étude menée par Lundburg et al. , lorsque l’épaisseur de la couche d’absorbeur a été réduite, les appareils électriques sont devenus court-circuités. Shafarman et al. ont rapporté une augmentation de la conductance shunt quand l’épaisseur a été réduite.
Un autre problème potentiel lorsque l’épaisseur du CIGS est réduite, c’est que les porteurs seront générés plus près du contact arrière et ont une probabilité plus élevée de recombinaisons.
En outre, les couches plus minces CIGS ont des grains plus petits et donc relativement de plus grandes surfaces de joints de grains qui pourraient également être la raison de l’augmentation des pertes par phénomène de recombinaison tunnel.
Pour les couches CIGS minces (0,8µm), l’absorption a été légèrement inférieure qu’une couche épaisse (1,8µm). Cependant, en raison d’une recombinaison plus importante des électrons générés au voisinage du contact arrière pour les longueurs d’onde élevées, le rendement quantique diminue quand les couches CIGS sont minces. L’absorption calculée pour les films CIGS de 0,36μm est beaucoup plus faible que l’absorption dans les couches CIGS plus épaisses.
La densité du courant de court-circuit a diminué d’environ 4mA/cm2 lorsque l’épaisseur de CIGS a été réduite de 1,8 à 0,9μm. Pour les couches d’absorbeur de moins de 0,8μm, une diminution plus prononcée a été observée. Il a été observé que si l’épaisseur de CIGS est réduite de plus de dix fois pour la couche la plus mince de CIGS, le courant de court-circuit diminue de moitié de sa valeur initiale.
D’après ces différentes études, nous concluons que l’épaisseur de l’absorbeur CIGS ne doit pas être très réduite. L’épaisseur idéale est d’environ 1,5μm à 3μm.
Couche tampon de Sulfure de Cadmium (CdS)
La couche tampon est un semi-conducteur de type N, dont le gap doit être supérieur à celui de l’absorbeur. Son épaisseur avoisine les 100 nm. Deux rôles lui sont majoritairement attribués : un rôle électrique, et un rôle de couche protectrice. Du point de vue électrique, la couche tampon permet entre autre d’optimiser l’alignement des bandes entre le CIGS et la couche fenêtre et de limiter les recombinaisons des porteurs à l’interface de ces deux couches. Elle permet également de protéger la surface de l’absorbeur lors du dépôt par pulvérisation cathodique de la couche de ZnO, qui peut engendrer la formation de défauts à la surface du CIGS [2].
Des composés de semi-conducteurs avec conductivité de type-N et énergie de gap compris entre 2,0eV et 3,6eV ont été utilisés comme couche tampon pour les piles solaires de CIGS. Cependant, le sulfure de cadmium CdS reste la couche tampon la plus largement utilisée, car il a donné des cellules à haute efficacité.
Dans des dispositifs de rendement élevé, le dépôt par bain chimique (CBD) a été employé pour fabriquer des couches de CdS. Le dépôt CBD de CdS fournit une surface polycristalline approximative d’absorbeur avec une épaisseur de film de 100nm.
Le bain chimique élimine l’oxyde normal de la surface de film et rétablit, ainsi, les états extérieurs chargés positivement.
Cependant, le processus du CBD pour le dépôt de CdS à un bas rendement et pose également des difficultés en termes de génération et de disposition des déchets dangereux.
Comme alternative au CdS, divers matériaux ont montré des résultats prometteurs : Il s’agit des couches de CBD-ZnS, de MOCVD-ZnSe, d’ALD ZnSe, de CBD-ZnSe, de PVDZnIn2Se4, de ZnMgO Co-pulvérisé et d’ALD-In2Se3.
Contact avant d’Oxyde de Zinc ZnO (ou couche fenêtre)
La couche fenêtre doit être à la fois conductrice et transparente, de façon à collecter les électrons tout en laissant passer la lumière [2]. Différents oxydes conducteurs transparents (TCO) ont été expérimentés et l’oxyde de zinc (ZnO) dopé d’aluminium (ZnO :Al) est le plus généralement utilisé. L’oxyde de zinc a une large bande de gap de 3,3eV et a de bonnes propriétés électriques et optiques (une transmission de 90% dans la gamme de 400-1000nm et une résistivité de 9.10-4 Ω.cm).
Les piles solaires de CIGS utilisent plus fréquemment, ZnO dopé d’Al. Une combinaison d’une qualité intrinsèque (i-ZnO) et d’une couche de ZnO dopée est généralement employée, car cette double couche rapporte des rendements uniformément plus élevés.
Il a été constaté que des paramètres de cellules, en particulier, le facteur de forme (FF) varie avec l’épaisseur des couches intrinsèques de ZnO. Le rendement le plus élevé a été réalisé avec une couche d’i-ZnO d’épaisseur environ 70nm.
D’autre part, quand la couche d’i-ZnO est très épaisse, la performance de cellules s’est dégradée en raison de l’augmentation de la résistance en série. Par conséquent une épaisseur optimale de la couche d’i-ZnO est nécessaire pour une meilleure performance de la pile solaire.
Plusieurs techniques de dépôt telles que la pyrolyse de jet, la CVD, et la pulvérisation ont été utilisées avec succès pour fabriquer des films de ZnO. La pulvérisation a été la technique la plus utilisée pour sa production.
Le dopage de la couche de conduction de ZnO est réalisé par des éléments du groupe III, en particulier l’aluminium. Toutefois les investigations montrent que le bore est une bonne solution, car il rapporte une mobilité élevée des porteurs de charge et une transmission plus élevée dans la région spectrale de longue longueur d’onde, provoquant des courants plus élevés.
En outre, pour les cellules à haute efficacité, la température de dépôt de l’oxyde transparent conducteur (TCO) devrait être inférieure à 150°C afin d’éviter l’interdiffusion nuisible à travers l’interface de CdS/CIGS.
Le contact ohmique supérieur (grille métallique)
Le contact supérieur doit avoir la plus faible résistance possible avec l’oxyde transparent conducteur. Généralement ce contact est constitué d’une fine couche de nickel ou chrome (50 nm) recouvert d’une couche d’aluminium plus épaisse (2000 nm).
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Table des matières
Nomenclature
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GÉNÉRALITÉS SUR LES COUCHES MINCES
Introduction :
I.1-Définition d’une couche mince :
I.2- Les cellules solaires en couche mince :
I.2.1- Principe de Fonctionnement des cellules solaires à base de couches Minces
I.2.2-Différentes types de cellules solaires en couche mince
I.3- Cellules solaires a couche mince à base de CIGS
I.3-1- Propriétés structurales du CIGS
I.3.2-Proprietes optiques du CIGS
I.3.3-Propriétés électroniques
I.4- Présentation de la cellule solaire CIGS étudiée
I.4.1-Le substrat d’acier inoxydable flexible
I.4.2-Barière de diffusion (Al2O3)
I.4.3-Contact arrière
I.4.4-Couche absorbante CIGS
I.4.5-Couche tampon de Sulfure de Cadmium (CdS)
I.4.6- Contact avant d’Oxyde de Zinc ZnO (ou couche fenêtre)
I.4.7-Le contact ohmique supérieur (grille métallique)
Conclusion
CHAPITRE II : PROCEDE EXPERIMENTAL D’ELABORATION DU CIGS PAR COEVAPORATION ET L’INCORPORATION DU NaF
Introduction
II.1- Coévaporation
II-1-1- La Coévaporation en trois étapes
Principe
Dispositif expérimental
Procédure de dépôt
II.2- Choix des substrats d’acier inoxydables flexibles et de barrières d’impuretés
Conclusion
CHAPITRE III : RESULTATS ET DISCUSSIONS
Introduction
III.1- Microscopie à force atomique (AFM)
III.2-Effet de l’épaisseur de NaF
III .2.1- Sur la tension de circuit-ouvert ( )
III.2.3- Sur la densité de courant de court-circuit ( )
III.2.3-Sur le facteur de forme (FF)
III.2.4-Sur le rendement (Ƞ)
III.3- Rapport de concentration atomique en fonction de la profondeur du matériau
III.4-Microscopie électronique à balayage (MEB) ou scanning electron microscopy (SEM)
III.5- Comparaison des cellules solaires CIGS flexibles en utilisant différentes étapes d’incorporation du NaF
III.5.1- Le Rendement Quantique en fonction de la longueur d’onde
III.5.2-Caracterististique J-V
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCE BIBLIOGRAHIQUE
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