ETUDE DE LA REPONSE SPECTRALE DE LA
CELLULE SOLAIRE ZnO /CdTe

 Etude du CdTe

Structure cristalline du CdTe : C’est un des matériaux binaires qui cristallisent dans la structure cubique blende de zinc: Les atomes de cadmium et les atomes de tellure forment deux sous- réseaux cubiques à faces centrées décalés l’un par rapport à l’autre d’un quart de la grande diagonale du cube. La différence du paramètre de maille entre CdTe (a0 = 6,48 Å) et ZnTe (a0 = 6,10 Å) est très importante (≈ 5,8%). Ce désaccord de maille joue un rôle primordial dans la réalisation d’hétéro-structures et permet la réalisation de boîtes quantiques par épitaxie, comme nous le verrons plus loin. Le semi-conducteur CdTe peut cristalliser dans deux structures différentes: la structure cubique «sphalérite» (Figure 3-a) et la structure hexagonale «Wurtzite» (Figure 3-b). La structure cubique est la plus stable dans les conditions normales de température et de pression. On peut assister, sous certaines conditions, à des transitions de l’une à l’autre ou à l’existence des deux structures en même temps. La structure Wurtzite : la maille élémentaire est composée de deux molécules du composé IIVI. Les atomes du Groupe II occupent les positions (0, 0,0) et (1/3,1/3,1/2) et les atomes du groupe VI occupent les sites (0, 0, u) et (1/3,2/3,1/2+u), avec u=3/8; un atome du groupe II est entouré de quatre atomes du groupe VI disposées aux sommets d’un tétraèdre. Le groupe d’espace est p63mc. La structure sphalérite: la maille élémentaire comporte quatre molécules du composé II-VI : les atomes du groupe II: (0,0,0); (0,1/2,1/2); (1/2,0,1/2); (1/2,1/2,0), et les atomes du groupe VI:(1/4,1/4,1/4); (1/4,3/4,1/4); (3/4,1/4,1/4); (1/4,3/4,3/4). Chaque atome est entouré de quatre atomes de l’autre type, placés aux sommets d’un tétraèdre. Cette structure est appelée de type blende de zinc, référence à la cristallisation de ZnO. 

Structure cristallographique du tellurure de cadmium

Le tellurure de cadmium (CdTe) est un semi-conducteur du groupe qui présente une structure cristallographique en bon accord avec la structure de type Wurtzite du sulfure de cadmium (Cds). Il est dopé de type p avec un gap de 1,45 eV. Ses propriétés optiques et électriques en font un matériau qui suscite beaucoup d’intérêt pour les applications à large échelle de l’énergie solaire. Bien que la plupart des méthodes conventionnelles de fabrication (évaporation sous vide, bain chimique, etc..) soient des techniques à faible coût, la caractérisation électrique des structures ZnO/CdTe n’a permis d’avoir qu’une connaissance limitée sur les propriétés de transport au niveau de la jonction. D’autre part, à cause de l’intérêt porté sur les propriétés optiques et électriques des homojonctions, des hétérojonctions et des barrières de Schottky réalisées avec le tellurure de cadmium, beaucoup d’auteurs ont proposé des résultats assez divers et relatifs du coefficient d’absorption du CdTe[16] comme l’illustrent les modèles théoriques que nous présentons dans ce travail. Le tellurure de cadmium se cristallise dans le groupe d’espace du zinc blende dans sa structure à trois dimensions. Le cristal est représenté comme un assemblage régulier de mailles identiques entre elles, chacune d’entre elles contenant un certain groupe d’atomes ou motif qui se répète de maille en maille. 

Bandes d’énergie

La description la plus significative des surfaces d’énergie offertes aux électrons s’effectue dans l’espace réciproque ou espace des vecteurs d’onde. On simplifie généralement cette description en considérant les variations de l’énergie E en fonction de k selon les directions de plus haute symétrie de cet espace. Dans ces directions, et en se limitant à la première zone de Brillouin, la structure des bandes dans le tellurure de cadmium présente l’allure typique de la structure des bandes d’énergie du tellurure de cadmium le long de plusieurs lignes de symétrie[18] à partir du centre jusqu’à la limite de la première zone de Brillouin. 2Le tellure de cadmium (CdTe) est un composé semi-conducteur de la famille II-VI. Cristallise donc soit dans la structure Sphalérite (cubique), soit dans la structure Wurtzite. Les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) affichent des rendements intéressants étant donné leurs caractéristiques, ce qui explique probablement leur succès actuel. Elles renferment pourtant des éléments rares ou toxiques pour l’Homme l’environnement. Dernier détail, elles sont dites à hétérojonction. Nous verrons pourquoi les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) présentent les avantages liés à la technologie des couches minces : elles sont légères, robustes, et seront peut-être un jour flexibles (de telles cellules existent déjà, mais uniquement en laboratoire). Elles ont pris un véritable essor ces dernières années, notamment grâce à leur commercialisation par l’entreprise américaine First Sola pour absorber une grande quantité de lumière, y compris lorsqu’elle vient à manquer, comme à l’aube, au crépuscule ou par temps couvert. Les panneaux solaires rigides se comportent également mieux que les autres lorsque leur température monte, ce qui survient aux plus chaudes heures de la journée. Ils ne perdent que 3 % de leur puissance par tranche de 10 °C supplémentaires, contre 5 % pour les cellules cristallines (chiffres de First Solar). 

Rendement des entités au tellurure de cadmium

Un rendement record de 18,7 % a été atteint le 26 février 2013 par une cellule expérimentale de First Solar, rendement confirmé par le National Renewable Energie Laboratoire (NREL, laboratoire indépendant). Les panneaux commercialisés ont quant à eux des performances moindres, de l’ordre de 12,5 %. I-3-5 Composition et fabrication des cellules au CdTe Le coût de fabrication d’une cellule autellurure de cadmiumserait deux à trois fois moins important que celui d’une structure cristalline, notamment grâce à l’optimisation du procédé de fabrication, à la faible main-d’œuvre requise et aux économies d’échelle (baisse du coût à la suite de l’augmentation de la productivité).  Concrètement, une cellule au CdTe se compose, de haut en bas : D’une vitre protectrice D’une couche conductrice transparente, par exemple faite d’oxyde d’indium-étain (ITO) ou d’oxyde de zinc (ZnO). Elle récolte les charges négatives sur une épaisseur de 0,2 à 0,5 µm. De sulfure de cadmium Cds dopé n (épaisseur de 0,06 à 0,2 µm). De tellurure de cadmium dopé p (épaisseurs de 2 à 8 µm) ; De la couche conductrice inférieure métallique. Elle est parfois fabriquée à partir d’une pâte de carbone enrichie en cuivre ; Du substrat, dont la nature peut varier selon les propriétés désirées (souple ou rigide). Les cellules au CdTe sont produites de différentes manières. First Solar utilise par exemple la méthode VTD (Vapor Transport Déposition), car elle permet de déposer de faibles épaisseurs de matériaux sur des substrats mobiles. Concrètement, du tellure et du cadmium sont chauffés indépendamment dans des chambres, puis des gaz inertes vont transporter les vapeurs générées. Elles sortent par des orifices situés à environ 1 cm des supports. La matière se dépose alors sur le substrat, qui est maintenu à une température inférieure à la température d’évaporation. Un panneau solaire complet peut être produit en deux heures et demie, avec des pertes de matière première estimées à seulement 2 %. I-3-6 Diagramme de bande du CdTe La structure de bande les matériaux binaires CdTe et ZnTe sont des semi-conducteurs à bande interdite directe: Le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence se situent au Centre de la zone de Brillouin (point Γ sur la Figure I-10). L’absorption et l’émission de lumière peuvent alors se faire avec conservation du vecteur d’onde c’est-à-dire sans impliquer d’interaction avec d’autres quasi particules comme les phonons.