ETUDE THEORIQUE DE LA CELLULE SOLAIRE ZnO CdTe

Propriétés générales de l’oxyde de zinc

Dans la famille des semi-conducteurs II-VI, l’oxyde de Zinc (ZnO) a connu un vif regain d’intérêt dans ses dernières années à cause de ses propriétés qualifiées uniques ; présentant une large bande interdite, une conductivité électrique variable avec une Transmittance supérieure à 80% dans le visible. En plus, les composants sont non toxiques et très abondants sur Terre. Ceci est un atout indéniable car il permet de réduire les coûts de production. Depuis la découverte de ces deux matériaux, un grand effort a été effectué pour exploiter ses propriétés optiques et électriques dans le domaine optoélectronique et microélectronique. Sa conductivité peut être contrôlé par l’ajustement des paramètres d’élaboration et au moyen d’un dopage par des impuretés habituellement celles des éléments III du tableau périodique (Ga, In, ou Al). La couche mince de ZnO peut être aussi bien employée en tant que capteur acoustique [3] ou comme électrode transparente dans la Fabrication des piles solaires [4], des cellules solaires [5], des capteurs piézoélectriques [6], des sondes à gaz [7] et des diodes laser .

Propriétés cristallographiques de l’oxyde de zinc

Les semi-conducteurs II-VI, excepté le CdO, cristallisent soit dans la structure Sphalérite (cfc) soit dans la structure Wurtzite (hexagonale). L’oxyde de Zinc peut exister dans la nature sous forme de poudre ou de cristal massif, Il se présente sous forme de minéral [9]. Du point de vue cristallographique, le ZnO peut exister sous trois types de structure différente, selon les conditions d’élaborations. (i) la structure hexagonale, stable dans les conditions normales. (ii) la structure cubique, qui est instable, et qui apparaît sous des pressions élevées [10]. (iii) la structure Rock-Salt qui apparaît sous des pressions très élevées. Par conséquent le ZnO cristallise selon la structure la plus stable ; c’est à dire la structure wurtzite ; cette dernière (Figure II-1) peut être décrite en tant que deux réseaux HC [11,12] qui sont insérés l’un dans l’autre Zn. La structure wurtzite contient quatre atomes par maille dont les positions sont: Chapitre I: Etude Théorique de la Cellule Solaire ZnO/CdTe   O ²- : (0, 0,0) ; (2/3,1/3,1/3). Zn²+ : (0, 0,3/8) ; (2/3,1/3,7/8). Le tableau I-1 illustre quelques propriétés de ces deux structures. Tableau I-1: Propriétés des deux structures cristallines de ZnO Structure Cristallographique Struc ture Wurtzite Structure cubique Paramètre de réseaux (A) a = 3.24 c= 5.20 a= 4.28 Coordinence (z) 2 4 Densité (g/cm3) 5.7 6.9 Condition d’apparition Pression atmosphérique Haute pression p≥ 100 Kbar Figure I-2: La structure cristallographique du ZnO [11⦌ I-1-2 Propriétés électriques de l’oxyde de zinc La figure I-2 montre que le ZnO est un semi-conducteur à gap direct [12], le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence sont situés au point de la zone de Brillouin. La largeur de la bande interdite est de l’ordre de 3.3eV. Elle peut varier suivant le mode de préparation et le taux de dopage, entre 3.3eV et 3.4 eV [13,14]. Les propriétés électriques des cristaux de ZnO non dopés dépendent fortement de la méthode des conditions thermodynamiques de croissance de ces derniers. En pratique, on obtient uniquement par dopage un semi conductivité de type n. Les taux de dopage obtenus peuvent être très élevés (de l’ordre de atomes/cm3 ), permettant Chapitre I: Etude Théorique de la Cellule Solaire ZnO/CdTe 6 d’atteindre des résistivités très faibles (de l’ordre de 10-10 Ω.cm) [15]. En général, la grande conductivité des couches d’oxydes pures est due à la forte concentration en porteurs (électrons), étant donné que la mobilité dans ces couches est considérablement plus faible que celle en volume du matériau correspondant. La forte concentration en électrons est attribuée à la déviation par rapport à la stœchiométrie (ou défauts dans la structure). La déviation à la stœchiométrie peut être due aux lacunes d’anions [16], ou à un excès de cations en position interstitielle [17]. Figure 1.3: Structure des bandes d’énergie de ZnO [18] Dépôt des couches minces Le Tableau I-2:Regroupe quelques propriétés électriques de ZnO Nature de la bande interdite directe Largeur de la bande interdite à 300°K 3.4±0.02 Type de conductivité N ou p Masse effective des électrons 0.28 m0 Masse effective des trous 0.6 m0 Densité d’états dans BC 3.71 1018 cm-3 Densité d’états dans BV 1.16 1019 cm-3 Résistivité maximale 106 Ω.cm Résistivité minimale 10-1 Ω.cm Chapitre I: Etude Théorique de la Cellule Solaire ZnO/CdTe 7 Dans l’oxyde de zinc, il existe deux types d’imperfection dans le réseau cristallin de ZnO, responsables de la conduction de type n observée dans le matériau. La première imperfection est intrinsèque (atome de Zn en position interstitielle Zni et lacune d’oxygène (VO), la deuxième est intentionnelle (dopage) [14].

Les principaux avantages de l’oxyde de zinc (ZnO)

Les principaux avantages de ZnO sont les suivants:  Effet piézoélectrique élevé (e33 = 1.2 C/m². parmi le plus haut de tous les (Semi-conducteurs).  Conductivité thermique élevée de 0.54 Wcm-1K -1 (comparés a 0.5 pour la GaAs).  La mobilité de dérive sature à des champs plus élevés que ceux de GaN (attrayant pour les dispositifs à haute fréquence).  Détecteurs UV avec une réponse spectrale maximale à 350nm.  Module de cisaillement très grand ~ 45.5 Gpa (indique la stabilité de cristal), . I-2 Propriétés générales du tellure de cadmium Les propriétés du tellurure de cadmium en font un candidat de choix pour le développement de couches minces des cellules solaires pour des applications terrestres. Un nombre croissant d’études existantes sont la formation des hétérojonctions enterrées et homojonction impliquant CdTe. Le tellurure de cadmium (CdTe) est un matériau cristallin à structure cubique composé de cadmium et de tellure. Il s’agit d’un semi-conducteur de la famille des II-VI. C’est en effet un produit très stable. Il accroit le rendement des panneaux, tout en diminuant leur coût, grâce à une meilleure capacité d’absorption de la lumière (maintien d’une bonne performance en cas de faible luminosité, le matin et en soirée notamment) et à un coefficient thermique. Ce produit en raison d’une toxicité intrinsèque nécessite néanmoins – en amont et aval de la filière – d’être produit, utilisé et recyclé avec précaution. Les propriétés uniques de CdTe lui font un matériau idéal pour plusieurs applications: cellules photovoltaïques, détecteurs nucléaires, modulateurs électro-optiques de rendement élevé et dispositifs photo réfractive. Ce matériau peut montrer les deux types de conductivités n et p, qui fait la technologie de diode [19] et les transistors à effet de champ [20]. Les semi-magnétiques à base de CdTe, comme CdMnTe, montrent des propriétés extrêmement passionnantes qui jusqu’a maintenant n’ont pas été complètement exploitées [21]. CdTe est un composant d’alliage ternaire CdHgTe, qui est l’un des matériaux industriels principaux pour la détection infrarouge. CdZnTe est employé comme substrat pour le dépôt épitaxie des couches de HgCdTe, et en tant que Chapitre I: Etude Théorique de la Cellule Solaire ZnO/CdTe 8 détecteur nucléaire, ce qui représente une application d’un énorme potentiel principalement pour des buts médicaux.