DÉTERMINATION DE L’ÉPAISSEUR OPTIMALE DE LA BASE D’UNE PHOTOPILE À JONCTION VERTICALE SÉRIE

INTRODUCTION

Dans ce chapitre, la détermination de l’épaisseur optimale de la base, conduisant à un courant de court-circuit important, d’une photopile à jonction verticale série sera proposée. Une représentation de la photopile au silicium monocristallin à jonction verticale série sous éclairement polychromatique sera donnée en premier lieu.La base de la photopile étant la région générant la plus grande partie du photocourant sera l’objet de notre étude car, elle est le siège de phénomènes de génération, de diffusion et de recombinaison des porteurs photogénérés. L’expression de la densité des porteurs minoritaires sera établie à partir de la résolution de l’équation de continuité. Ensuite, le profil de la densité de porteurs minoritaires en excès en fonction de l’épaisseur de la base, pour différents valeurs du nombre de soleil n et pour différentes vitesses de recombinaison à la jonction Sf, sera tracé. Après cela, l’expression de la densité de photocourant sera établie. Son profil, en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction pour différentes valeurs du nombre de soleil n, de l’épaisseur H de la base et du coefficient de diffusion, sera aussi étudié. Enfin, nous allons établir l’expression de la vitesse de recombinaison de la face arrière à partir du photocourant pour une grande valeur de la vitesse de recombinaison à la jonction (Sf) correspondant au mode de fonctionnement de court-circuit de la photopile au silicium à jonction verticale série. Cela nous permettra, par la suite, de déterminer l’épaisseur optimale de la base par la méthode de l’intersection des courbes des vitesses de recombinaison à la face arrière des porteurs minoritaires de charge en excès en fonction de l’épaisseur de la base pour différentes valeurs du coefficient de diffusion. Et une corrélation mathématique entre cette épaisseur optimale et le coefficient de diffusion sera établie.

PRESENTATION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA PHOTOPILE A JONCTION VERTICALE SERIE 

Présentation de la photopile

La photopile à jonction verticale est conçue de telle sorte que l’éclairement incident est parallèle au plan de la zone de charge d’espace (ZCE). La structure d’une photopile à jonction verticale série, de type n+-p-p+, en régime statique, sous éclairement polychromatique, est représentée par la figure 1: 25 Figure1 : Schéma d’une photopile à jonction verticale série La figure 2 représente le schéma d’une cellule de la photopile à jonction verticale série sous éclairement polychromatique: Figure2 : Schéma d’une cellule de la photopile à jonction verticale série Une cellule, de la photopile à jonction verticale série, est composée principalement de :  L’émetteur de type n+ : L’épaisseur est faible (0.5 à 1µm), elle est fortement dopée en atomes donneurs (1017 à 1019 atomes par cm3 ) et recouverte d’une grille métallique qui permet de collecter les charges électriques photocréées.  La base de type p : Emetteur  n Base P Eclairement  ZCE p x z Emetteur Emetteur y 0  n  n Base P Base P métal 26 Cette partie est relativement peu dopée (1015 à 1017 atomes par cm3 ) en atomes accepteurs. Mais son épaisseur est beaucoup plus importante que celle de l’émetteur. Etant de type p, cette partie de la structure présente un défaut d’électrons (porteurs minoritaires). L’étude caractéristique de la cellule portera essentiellement sur cette partie qui est la zone de prédominance des phénomènes d’absorption, de génération, de recombinaison et de diffusion.  La jonction émetteur-base (Zone de Charge d’Espace) : Entre les deux 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 très intense. Ce champ permet la séparation des paires électron-trou qui arrivent à la jonction. Ainsi, un rayon lumineux, possédant une énergie suffisante, arrivant à la cellule, peut pénétrer dans la photopile et provoquer l’apparition d’une tension électrique autour de la jonction.  Le Back Surface Field (BSF), de type P+ : C’est la zone située en face arrière de la base; elle est surdopée en atomes accepteurs (1017 à 1019 atomes par cm3 ) par rapport à la base. Cela induit l’existence d’un champ électrique arrière permettant de renvoyer, les porteurs minoritaires générés près de la face arrière, vers l’interface émetteur-base.

Principe de fonctionnement

Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants:  absorption des photons (dont l’énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;  Conversion de l’énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création de paires électron/trou dans le matériau semi-conducteur (lorsqu’une énergie lumineuse frappe la cellule solaire, les électrons se détachent des atomes du matériau semi‐ conducteur);  Collecte de particules photogénérées dans le dispositif. 27 II.3. Etude de la densité des porteurs minoritaires en excès dans la base Lorsque la photopile est éclairée, différents processus de génération, de recombinaison et de la diffusion de porteurs minoritaires en excès se déroulent dans la base. L’ensemble de ces processus peut se traduire par une équation dite équation de continuité.

Taux de génération des porteurs minoritaires

La transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique au moyen d’une photopile passe par une absorption d’abord de photons ayant une énergie suffisante à celui du gap et par une création ensuite de paires électron-trous. Cette génération de paires électron-trous est intimement liée au taux d’absorption de la lumière et de la composition du spectre solaire. En tenant compte de la somme des contributions provenant de chaque longueur d’onde du spectre solaire, ce taux de génération est donné par l’équation (II.1)       .exp.. i i i zbanzG (II.1) – n est appelé nombre de soleil liant la puissance incidente réelle à la puissance de référence pour un spectre solaire donné. Ce terme permet de connaitre les conditions d’éclairement de la photopile. – z est la profondeur dans la base – Les coefficients 𝑎𝑖 𝑒𝑡 𝑏𝑖 tiennent compte des valeurs tabulées du rayonnement solaire et de dépendance du coefficient d’absorption du silicium avec la longueur l’onde [II-3]. – Pour un éclairement se faisant sous AM 1.5 donné, ces valeurs sont: ,613.10 ,0;. 54.10 .0991,0;. 10 ;. 20 13 3 20 13 2 20 13 1    a  cm as  cm as  cm s 1 3 13 2 1 1 ;6630 10 130;    b  cm b  cm b  cm II.3.2. Equation de continuité En régime statique et sous éclairement polychromatique, l’équation de continuité, d’une photopile au silicium monocristallin à jonction verticale série, est de la forme :       D zG L x x x     2 2 (II-2) –    x est la densité des porteurs minoritaires en excès dans la base.  DL . est longueur de diffusion des porteurs minoritaires en excès dans la base. Elle représente la distance moyenne parcourue par les porteurs minoritaires en excès dans la base avant leur recombinaison. –  est la durée de vie des porteurs minoritaires en excès dans la base. – D est le coefficient de diffusion des porteurs minoritaires en excès dans la base.