Soutenance mémoire
Les contacts métalliques avant et arrière
Les contacts métalliques à l’émetteur et au substrat servent à collecter le courant de porteurs photo générés. Les contacts doivent être ohmiques (la caractéristique I=f(V) du contact doit être linéaire). Au contact, la vitesse de recombinaison de surface atteint des valeurs très élevées qui diminuent le rendement des dispositifs. Pour réduire le taux de recombinaison sur cette face arrière, il est possible de diminuer les défauts d’interface ou d’éloigner un des types de porteurs. Pour la fabrication des cellules photovoltaïques à haut rendement, la pulvérisation cathodique ou l’évaporation sous vide sont utilisées. Généralement on utilise comme contact avant une grille métallique en Ni-Al, et le Mo ou l’ITO pour le contact arrière.
La collecte des charges
Une fois les charges électriques libérées (électrons chargés négativement et trous charges positivement), il faut les séparer et les extraire hors du matériau semi-conducteur dans le circuit électrique. Mais tous ces porteurs n’arrivent pas dans le circuit extérieur, certains sont piégés avant d’y arriver. Une des principales causes est les recombinaisons dues aux états d’interfaces qui sont constitués par l’ensemble des défauts de la structure du matériau ainsi les courbures de bandes non appropriées, par conséquent une modification des populations dans les bandes permises. Afin de collecter les particules générées, un champ électrique permettant de dissocier les paires électron-trou créées est nécessaire. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction p-n. D’autres structures, comme les hétérojonctions et les Schottky peuvent également être utilisées. Le comportement des porteurs libres diffère suivant le lieu de leur création. Dans les régions électriquement neutres « n » et « p », les photoporteurs minoritaires diffusent, ceux qui atteignent la zone de charge d’espace sont propulsés par le champ électrique vers la région où ils deviennent majoritaires. Ces photoporteurs contribuent au courant par leur diffusion, il se crée un courant de diffusion. Dans la zone de charge d’espace, les paires (électron-trou) créées par les photons sont dissociés par le champ électrique interne (jonction), l’électron est propulsé vers la région de type « n » et le trou vers la région de type « p ». Ces deux contributions s’ajoutent pour donner un photo-courant résultant Iph. C’est un courant de porteurs minoritaires. Il est proportionnel à l’intensité lumineuse.
Cellule en Silicium microcristallin et polycristallin
Les couches minces de silicium cristallin suscitent un intérêt majeur depuis quelques années, où Astropower aurait abouti en 1998 à une fabrication de cellules en couches minces sur une céramique de composition confidentielle avec une procédure de dépôt utilisant un alliage de silicium en phase liquide. Ce succès, a entraîné de nombreux laboratoires sur des projets de fabrication de couches de Si en phase vapeur sur supports de silicium, de céramique ou même de verre. Dans un premier temps Les rendements de conversion obtenus pour les cellules photovoltaïques basées sur du silicium microcristallin (μc-Si) avec une taille de grains inférieure à 1μm sont voisins de 10%. Dans un second temps la recherche s’est orientée vers la fabrication de silicium polycristallin (poly-Si) à large grain déposé sur des substrats résistants à haute température (graphite où céramique). Les rendements de conversion sont alors de l’ordre de (15% -16,6%). Néanmoins, ces cellules représentent un handicap majeur à savoir leurs faibles coefficients d’absorption optique dû à leurs gaps indirects. En effet, plusieurs travaux de recherche se sont succédées pour améliorer leurs performances. On cite par exemple, les travaux de Redfield, Spitzer et al. et Barnet [31] qui se sont basés sur le principe des pièges de la lumière à travers la structure pour compenser la faible absorption optique de ce dernier. Malheureusement, ces méthodes alourdissent la conception et la réalisation des cellules solaires à faible coût. Les recherches se sont aussi portées vers d’autres matériaux que le silicium, mieux adapté à une utilisation en couches minces tout en délivrant de hauts rendements.
Les différents broyeurs mécaniques
Le broyage mécanique s’effectue généralement sous atmosphère contrôlée (argon, azote,…) dans différents types de broyeurs. Ces derniers sont constitués d’une ou de plusieurs jarres dans lesquelles sont contenues des billes ou des barres qui agissent sur les matériaux mis dans la jarre sous forme de poudre. Les jarres et les billes ou barres sont construites en général en matériaux qui manifestent une forte résistance à l’usure afin d’éviter la contamination. L’équipement typique pour réaliser la mécanosynthèse est le broyeur de haute énergie. Les différents broyeurs se distinguent par le mécanisme de mise en mouvement du conteneur, mouvement permettant aux billes d’être en mouvement relatif permanent (leurs fonctionnements reposent sur le même principe). Les trois types de broyeur utilisés en laboratoire les plus courants sont :
– broyeur attriteur ou vertical ;
– broyeur planétaire ;
– broyeur vibrateur ;
Mécanisme de la mécanosynthèse
La réalisation d’un modèle pour la mécanosynthèse semble un des plus grands défis pour cette méthode de synthèse des matériaux, à cause du nombre important de paramètres pertinents. Plusieurs approches auront lieu afin de donner une description du processus de la mécanosynthèse, à savoir :
❖ Le produit résultant est déterminé seulement par le transfert du choc entre billes et la poudre [10].
❖ Une deuxième approche considère le processus de broyage en deux parties [11] : une modélisation locale qui concerne les processus de collision des billes, leurs fréquences d’impact, leurs vitesses et le rapport masse bille/masse poudre. Ainsi une modélisation globale prenant en compte le type de broyeur, l’énergie du broyeur et le comportement global de la poudre et des billes dans la jarre. Cette approche peut déterminer l’efficience du broyeur et caractériser l’aplatissement des poudres et leurs soudages à froids.
❖ Une autre approche semble plus correcte qui propose trois niveaux de description :
• Niveau macroscopique qui prend en compte la vitesse, la fréquence, l’énergie et l’angle d’impact entre les billes et la paroi de la jarre et entre elles même ;
• Niveau mésoscpique qui considère les chocs en présence de la poudre ;
• Niveau microscopique qui compte les transformations structurales subies par la poudre pendant le processus [12].
Durant le broyage de nombreuses collisions billes/poudre est billes/poudres/paroi du creuset ont lieu. Les particules de poudres sont respectivement déformées plastiquement (Figure II.5), aplaties, fracturées, soudées de manière répétée, conduisant à un mélange des différents constituants. Au cours de l’opération de broyage, le premier phénomène observé est l’apparition de particules lamellaires des éléments constitutifs. Leur taille peut varier de quelques microns à 100 μm. Ces dernières peuvent à leur tour former des agglomérats grossiers. Les éléments de départ peuvent être identifiés dans le composé formé grâce à la dominance du phénomène de fracture. Au fur et à mesure que le processus de broyage avance, la compétition entre les phénomènes de fracture et de soudage devient plus importante et les particules de poudre sont de plus en plus fines. En régime stationnaire, un équilibre entre soudage et fracturation des particules, dépendant de la ductilité des éléments va se mettre en place. Lors du broyage un grand nombre de défauts cristallins sont introduits dans la structure (lacunes, dislocations, joints de grains), qui vont engendrer la fracturation des particules mais aussi faciliter la diffusion des éléments afin de former un alliage. A la fin du broyage on obtient sans difficulté des poudres nanostructurées (la taille des cristallites est de l’ordre d’une dizaine de nm) et la composition de l’alliage est similaire à celle du mélange de départ.
La conductivité optique et les propriétés diélectriques
La réponse optique d’un matériau est la plus commodément étudiée en termes de conductivité optique. La conductivité optique (σ) dans les semi-conducteurs dépend fortement de la largueur de la bande interdite, donc σ devrait être étudiée pour nos échantillons. Pour les couches minces la conductivité optique dépend de nombreux paramètres parmi eux : le coefficient d’absorption, l’indice de réfraction, la fréquence de photons incidents.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Généralité sur les cellules solaires et les composés ternaires chalcopyrites et sulfosels
Partie 1 : Généralités sur les cellules solaires
Introduction
I. Principe d’une cellule photovoltaïque
I.1. Approche théorique
I.2. Description de la cellule solaire
I.2.1. Les principaux éléments dans la cellule photovoltaïque
I.3. Principe physique de fonctionnement
I.3.1. Absorption du rayonnement solaire
I.3.2. Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques
I.3.3. La collecte des charges
II.3.1. Paramètre physiques des cellules photovoltaïques
II. Les différentes filières photovoltaïques en couche minces
II.1. la filière Silicium en couche mince
II.1.1. cellule en Silicium amorphe
II.1.2. cellule en Silicium microcristallin et polycristallin
II.2. La filière CdTe /CdS
II.3. La filière CZTS
II.4. Les cellules solaires organiques
II.5. La filière chalcopyrite (matériaux CIS et CIGS)
II.6. les cellules à base de sulfosel Sn-Sb-S
III. Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque
IV. Les applications de l’énergie photovoltaïque
Partie 02 : Généralités sur les matériaux ternaires (chalcopyrites et sulfosels)
I. Les matériaux chalcopyrites
I.1. Diagramme de phase pseudo binaire Cu2Se-In2Se3
I.2. les propriétés structurales du CuIn3Se5
I.3. les propriétés optiques et électriques du CuIn3Se5
II. Les matériaux sulfosels
II.1. Diagramme de phase ternaire du système Sn-Sb-S 34
II.2. Quelques propriétés des matériaux SnxSbySz
Conclusion
Chapitre II : Etude bibliographique sur les techniques d’élaborations et de caractérisations utilisées
II.1. Introduction
Partie 1 : Généralités sur les techniques d’élaboration utilisées
II.2. Le broyage mécanique
II.2.1. Introduction
II.2.2. Les différents broyeurs mécaniques
II.2.2.1. Le broyeur attriteur
II.2.2.2. Le broyeur vibratoire
II.2.2.3. Le broyeur planétaire
II.2.3. Mécanisme de la mécanosynthèse
II.2.4. Type de matériaux soumis au broyage
II.2.4.1. Mélanges de poudres ductiles-ductiles
II.2.4.2. Mélanges de poudres ductiles-fragiles
II.2.4.3. Mélanges de poudres fragiles –fragiles
II.2.5. Les paramètres pertinents de la mécanosynthèse
II.2.5.1.Type de broyeur
II.2.5.2.Temps de broyage
II.2.5.3.Température de broyage
II.2.5.4. La nature des billes et des jarres
II.2.5.5. Le rapport masse bille/ masse poudre
II.2.5.6. Le degré de remplissage
II.2.5.7. L’intensité de broyage
II.2.5.8. L’atmosphère de broyage
II.2.6.La contamination
II.3. L’évaporation thermique
II.3.1. Introduction
II.3.2. Principe
II.3.3. Description du dispositif d’évaporation
II.3.3.1. Chambre à vide
II.3.3.2. Système de pompage et appareillage de mesures du vide
II.3.3.3. Source d’évaporation
II.3.3.4. Le porte substrat
II.3.3.5. Dispositifs de chauffage des substrats
II.3.3.6. Paramètres de contrôle des dépôts
II.3.3.6.1.La température
II.3.3.6.2.La pression
II.3.3.6.3.Techniques de dégazage et d’évaporation
Partie 2 : Les techniques de caractérisation des poudres et des couches minces
II.1. Caractérisations structurales et morphologiques
II.1.1. La diffraction des rayons X (XRD)
II.1.1.1. Introduction et description de l’appareillage
II.1.1.2. Principe de la diffraction des rayons X
II.1.1.3. Exploitation des spectres DRX
II.1.1.4. Affinement des spectres DRX
II.1.2. La microscopie à force atomique (AFM)
II.1.3. La spectroscopie Raman
II.1.4. Spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS)
II.2. Caractérisation optique
II.2.1. Principe de fonctionnement d’un spectrophotomètre UV-Vis
II.2.2. Spectres de transmission et de réflexion
II.2.2.1. Epaisseurs des couches minces
II.2.2.2. Coefficient d’absorption
II.2.2.3. Energie de la bande interdite
II.2.3. Modèle de Swanepoel, Wemple-DiDomineco et Spitzer-Fan
Conclusion
Chapitre III : Résultats expérimentaux et interprétations
III.1. Introduction
Partie 1 : Synthèse et caractérisation de la poudre du CuIn3Se5
III.2. Synthèse de la poudre CuIn3Se5
III.3. Caractérisation de la poudre broyée
III.3.1. Caractérisation par diffraction des rayons X
III.3.1.1. Affinement du diffractogramme
III.3.2. Caractérisation par spectroscopie photo-électronique
Partie 2 : L’effet du recuit sur les propriétés des couches minces de CuIn3Se5 élaborées par la technique d’évaporation thermique sous vide
III .1. Elaboration des couches minces
III.1.1. Procédure expérimentale
III.2. Caractérisation des couches minces de CuIn3Se5
III.2.1. Caractérisation structurales
III.2.1.1. Détermination des paramètres microstructurales
III.2.2. Caractérisation morphologiques
III.2.3. Caractérisation optiques
III.2.3.1. Spectres de transmission et de réflexion
III.2.3.2. Coefficient d’absorption
III.2.3.3. Energies de la bande interdite
III.2.3.4. Indices de réfraction et épaisseur
III.2.3.5. Coefficient d’extinction
III.2.3.6. La conductivité optique et les propriétés diélectriques
III.2.3.7. Analyse de la dispersion de l’indice de réfraction
III.2.3.8. Le coefficient de verdet
III.2.3.9. La profondeur de pénétration
III.2.3.10. La non linéarité dans les couches minces de CuIn3Se5
Partie 3 : Etude de quelques propriétés du matériau SnSb2S4
III.1. Caractérisation de la poudre broyée SnSb2S4
III.1.1. Caractérisation par diffraction des rayons X et affinement du diffractogramme
III.1.2. Spectroscopie Raman
III.2. Caractérisation de la couche mince SnSb2S4
III.2.1. Caractérisation optiques
III.2.1.1. Le coefficient d’absorption et le coefficient d’extinction
III.2.1.2. Energie de la bande interdite
III.2.1.3. L’indice de réfraction
III.2.1.4. La conductivité optique et les propriétés diélectriques
Conclusion Générale et Perspectives
Références
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