Dopage des semi-conducteurs

Face au tarissement des énergies fossiles (pétrole, charbon, nucléaire) et au réchauffement climatique, mais également face à la croissance mondiale de la demande énergétique, le développement des sources d’énergie propre semblent de plus en plus nécessaire. Ainsi, la prise de conscience de l’enjeu que constitue l’énergie pousse les scientifiques à mener des recherches dans le domaine des énergies renouvelables et plus précisément dans l’effet photovoltaïque. L’effet photovoltaïque est un des effets photoélectrique. Il est mis en œuvre dans les cellules photovoltaïques pour produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire. Il a été découvert par le physicien français Edmond Becquerel et présenté à l’académie en 1839.

L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors des paires électrons-trous (excitation d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction) créant une tension ou un courant électrique. Plusieurs types de composants peuvent être créés à partir de ce principe. Ils sont appelés photodiode, phototransistor ou photopiles. Avec un rendement de 10% à 20% [2], l’énergie solaire constitue la source d’énergie la plus rentable parmi les autres énergies renouvelables car il présente des avantages tels que : l’abondance, l’absence de toute pollution et sa disponibilité. Quand une photopile est éclairée par une énergie supérieure à l’énergie de « gab », il se produit un processus de génération, de diffusion des paires- électron trous et de recombinaison. Le processus de recombinaisons [3] réduit la collecte des porteurs de charges photogénérés et par conséquent aussi le rendement de la cellule solaire. Pour avoir une cellule solaire de meilleur rendement de conversion, les scientifiques ont accentué leur recherche sur plusieurs axes de fabrication et de conception des cellules solaire (substrat, réduction de la taille et de la forme) [4][5]. Pour une meilleure étude des photopiles, trois axes de recherche ont été développés [18] en régime dynamique transitoire [6], en régime dynamique fréquentiel et en régime statique.

Ainsi, on passe des cellules solaires monofaciales au silicium monocristallin, polycristallin et amorphe aux cellules solaires bifaciales [9][10] au silicium monocristallin et polycristallin [11][12][13]. Pour réaliser, ensuite, des cellules solaires à faible coût et toujours au meilleur rendement, des cellules à multijonction verticales (VMJ) ont été fabriquées [14]. Il existe deux types de VMJ [15] en fonction de la connexion entre les cellules, afin d’améliorer, soit le courant photogénéré ou la tension. Ainsi, VMJ connecté en série [16] et VMJ connecté en parallèle [17] ont été traités. Ce qui a permis aux porteurs de charges minoritaires en excès de faible longueur de diffusion d’être mieux collectés, indépendamment de la cristallinité du silicium utilisé (polycristallin ou monocristallin). L’objectif de notre étude est d’augmenter le rendement de la photopile à jonction verticale série, sous éclairement polychromatique et en régime statique, en réduisant au maximum les pertes par recombinaison à la face arrière. Pour cela, nous allons optimiser l’épaisseur de la base par la méthode de l’intersection des courbes des vitesses de recombinaison à la face arrière.

Dans le premiére chapitre, nous ferons une étude bibliographique sur les méthodes de caractérisations et de détermination des paramétres électriques d’une photopile. Dans le second chapitre, aprés une présentation de la photopile à jonction verticale série, nous ferons une étude théorique de la photopile à jonction verticale série sous éclairement polychromatique. Puis, nous déterminerons l’épaisseur optimale de la base par la méthode de l’intersection des courbes des vitesses de recombinaison à la face arrière. Pour cela, grâce au logiciel matlab, nous représenterons les courbes de la densite des porteurs minoritaires de charges en fonction de l’epaisseur de la base, pour differentes valeurs de Sf, du nombre de soleil, en court-cuircuit et en circuit ouvert; du photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (Sf) pour différentes épaisseurs de la base, du nombre de soleil (n) et du coefficent de diffusion D; le profil des courbes des vitesses de recombinaison à la face arrière sera aussi tracé en fonction de la longueur de diffusion et de l’épaisseur de la base. Ce dernier nour permettra de déterminer les épaisseurs optimales correspondants à chaque coefficient de diffusion, c’est-à-dire chaque taux de dopage. Et pour finir ce travail, nous allons dégager une conclusion et proposer quelques perspectives sur la suite de cette étude.

La photopile, appareil transformant directement un rayonnement lumineux en énergie électrique, est un élément essentiel de la chaîne de conversion photovoltaïque et toute amélioration de ses performances est un gain pour la production d’énergie. C’est dans le but d’améliorer leur rendement que de nouvelles générations de cellules solaires appelées photopiles à jonction verticale voient le jour. Dans ce chapitre, nous présentons d’abord quelques généralités sur les semi-conducteurs, ensuite nous parlerons du dopage de ces derniers et enfin nous terminerons par faire l’état de l’art des travaux dans la caractérisation de photopiles. Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d’un isolant, mais pour lequel la probabilité qu’un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible est suffisamment importante. Pour résumer, un semi-conducteur, comme son nom l’indique possède des caractéristiques électriques intermédiaires entre celles des métaux et des isolants. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l’aide de la théorie des bandes d’énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction. Si un potentiel électrique est appliqué à ses bornes, un faible courant électrique apparait, provoqué à la fois par le déplacement des électrons et par celui des «trous» qu’ils laissent dans la bande de valence. Les semi-conducteurs typiques sont le silicium et le germanium. Ils appartiennent à la colonne IV du tableau périodique des éléments. Certains cristaux composés de différents éléments peuvent également présenter des propriétés semi- conductrices. Il existe notamment des semi-conducteurs dits III-V et II-VI. Les semi- conducteurs composés III-V comprennent des éléments des colonnes III et V du tableau périodique des éléments, comme par exemple l’arséniure de gallium GaAs (largeur du gap 1,424 eV) ou le phosphure d’indium InP. Les semi-conducteurs composés II-VI sont constitués par des éléments des colonnes II et VI comme le sulfure de cadmium CdS. Beaucoup de ces semi-conducteurs composés restent à l’heure actuelle des sujets de recherche, car ils sont difficiles et coûteux à fabriquer, et leurs propriétés et capacités encore mal maîtrisées. En outre, leur application est rarement l’électronique logique ou petit signal, mais bien souvent l’optoélectronique (diodes laser, photorécepteur…) ou l’électronique de puissance.