La conversion Thermo-Photovoltaïque

La conversion de l’energie solaire est une operation qui consiste a transformer en energie electrique l’energie des photons provenant du soleil sous forme d’ondes electromagnetiques. Pour obtenir cette operation, il est necessaire de mettre en oeuvre des dispositifs optoelectroniques appropries appeles ≪ cellules solaires ≫ ou ≪ photopiles solaires ≫. Il existe plusieurs types des cellules solaires qu’on va etudier dans ce chapitre. Dans notre travail, nous nous interessons aux cellules thermo-photovoltaiques solaires, qui sont au centre d’une grande activite a cause des perspectives tres prometteuses en termes d’amelioration sensible des performances des photopiles solaires. L’idee principale de ces cellules thermo-photovoltaiques est de combiner entre deux types de capteurs solaires: un capteur photovoltaique et un capteur thermo-voltaique. Pour bien comprendre le fonctionnement de ces dispositifs, il faut expliquer le principe physique de chacun des deux capteurs.

Notre objectif est d’elargir le spectre d’absorption pour convertir non seulement les photons situes dans les domaines proche Ultra-violet (UV), visible et proche infrarouge et qui representent environ 46% du spectre solaire, mais egalement les photons qui sont moins energetiques et qui situes dans le domaine infrarouge moyen et lointain et qui representent environ 47% du spectre solaire. Theoriquement, ces cellules thermo-photovoltaiques possedent des rendements quantiques tres eleves pouvant atteindre jusqu’a 92% dans les concentrateurs solaires [1]. Cependant, experimentalement, ces rendements ne depassent pas 57 − 62 % [1], et ce, a cause des differents parametres qui influencent directement ou indirectement le bon fonctionnement de la cellule. Afin de mieux comprendre ces phenomenes, nous etudions les principes physiques de fonctionnement general de ces dispositifs optoelectroniques. Nous commencons par etudier la source du rayonnement elle-meme et qui est le soleil, ensuite son interaction avec l’environnement exterieur de propagation et enfin le dispositif de la conversion lui meme.

Etude des Matériaux Nitrures d’Antimoniures

Dans ce travail nous nous interessons aux materiaux semi-conducteurs III-V appartenant aux familles des antimoniures III-Sb, des nitrures III-N et de leurs alliages mixtes associant les antimoniures avec les nitrures de type III-N-Sb. Ces materiaux presentent actuellement un tres grand interet car ils sont tres prometteurs dans de nombreux nouveaux dispositifs optoelectroniques et surtout, en ce qui nous concerne, dans les applications solaires en tant que cellules thermo-photovoltaiques. Les antimoniures sont des materiaux semi-conducteurs a petit gap (0.174eV<EG<1.62eV) qui fonctionnent dans la gamme de longueurs d’ondes situee dans le domaine allant du proche infrarouge (AlSb) a l’infrarouge lointain (InSb) en passant par le moyen infrarouge (GaSb). Par contre, les nitrures sont des materiaux plutot a grand gap (0.7eV<EG<6.2eV) qui fonctionnent plutot dans la gamme complementaire de longueurs d’ondes qui est situee dans le domaine allant du visible (InxGa1-xN) et jusqu’a l’ultraviolet (GaN et AlN). Par consequent, en combinant ces deux types de materiaux dans les alliages mixtes de nitrures d’antimoniure, on peut non seulement balayer la majeure partie du spectre solaire allant de l’infrarouge jusqu’a l’ultraviolet en passant par le visible, mais aussi profiter des nombreux avantage des deux familles. On ameliore ainsi a la fois les proprietes thermiques, electriques, optiques et structurales de nos dispositifs. Dans la 1ere partie de ce chapitre II, nous etudions les proprietes des materiaux binaires, ternaires et quaternaires. Nous nous interessons a leurs structures, aux proprietes qui leur sont associees, ainsi qu’aux structures de bandes d’energie et leurs proprietes electroniques. Nous etudions ensuite les differentes hetero-structures basees sur ces materiaux avec pour objectif d’optimiser et de choisir les meilleures combinaisons qui sont les plus adaptees aux applications en qualite de cellules thermo-photovoltaiques.

Variation du paramètre de maille :

Pour decrire la variation du parametre de maille dans les 3 alliages ternaires, nous utilisons une loi de variation lineaire donnee par l’equation II.2 suivante : 2345&.- = .234 + &1 − .-245 Ces figures nous permettent de remarquer que: InxGa1-xSb presente un gap direct 0.174<Eg Γ<0.728 eV dans toute la gamme de composition x en Indium. C’est donc un materiau tres interessant pour les applications optoelectroniques et en particulier, notre application en tant que cellules thermo-photovoltaiques. Cependant, InSb est tres fortement desaccorde de maille par rapport a GaSb avec Δa/a≈10% ! Ceci se traduit par l’apparition de contraintes d’interface lors de la croissance de couches epitaxiales de InxGa1-xSb car il faut utiliser des substrats de GaSb. Ces contraintes limitent le desaccord de maille a Δa/a≤2% soit une composition en Indium de InxGa1-xSb<30%. InxGa1-xSb est generalement utilise comme puits de potentiels dans les hetero-structures quantiques III-Sb AlxGa1-xSb n’est un materiau a gap direct que pour x<41% avec des energies du gap situees dans le domaine 0.728<Eg Γ<1.252eV. Ce materiau est indirect en vallee X pour x> 41%. Il y a lieu de noter que AlSb est peu desaccorde de maille par rapport a GaSb avec Δa/a<1%. AlSb et AlxGa1-xSb sont generalement utilises comme barriere dans les hetero-structures III-Sb. InxAl1-xSb n’est lui aussi a gap direct que pour x< 45% avec des valeurs du gap 0.235<Eg Γ<1.125 eV. Il est a gap indirect en vallee X pour x>45%. Ici aussi, InSb est tres fortement desaccorde de maille par rapport a AlSb avec Δa/a≈10% ! Ce materiau est tres difficile a fabriquer et est donc peu utilise dans les hetero-structures a base d’antimoniures Remarque : Pour obtenir des cellules thermo-photovoltaiques optimales, il faut assurer une energie du gap EG≈0.5eV, c’est-a-dire qu’il est necessaire d’utiliser des systemes du type InxGa1-xSb/GaSb. Cependant, compte tenu de la tres forte variation du desaccord de maille avec la composition en In ainsi que les complications physico-chimiques associees a l’In, ce systeme InxGa1-xSb/GaSb va etre limite a x<12% soit un gap EG>0.6eV. Pour contourner cette difficulte, il est necessaire de passer a des alliages quaternaires qui offrent la possibilite de controler l’energie du gap en fonction de la composition d’alliage independamment du parametre de maille, ce qui permet de s’affranchir des problemes de contrainte d’interface.

Alliages quaternaires Nitrures AlxGa1-x-yInyN

L’alliage AlxGa1-x-yInyN est une solution solide composee des 3 binaires nitrures differents : AlN, InN et GaN. Cet alliage est egalement caracterise par une phase complexe ou seuls quelques combinaisons de compositions x,y donnent lieu a des cristaux de bonne qualite. Les variations de l’energie du gap et du parametre de maille [1] obtenues par les relations II.5 et II.6 ci-dessous sont reportees sur les figures II.15 et II.16. L’alliage quaternaire AlxGa1-x-yInyN est fortement desordonne a cause de la nature tres differente de ses constituants. InN a un parametre de maille tres different de ceux de GaN et de AlN. De plus l’Indium impose des contraintes particulieres a la croissance de cet alliage avec une limite de solubilite et une separation de phase qui restreint In a y<20%. Les energies du gap varient de maniere non-lineaire avec la composition d’alliage dans AlxGa1-x-yInyN (voir Fig. II.15). Ces variations sont similaires, mais plus marquees que celles obtenus dans le cas du quaternaire antimoniure AlxGa1-x-yInySb precedent. La aussi pour des utilisations d’interet, la composition x en Al doit etre maintenue plutot faible x<20%. Le desaccord de maille (Fig. II.16) depend faiblement de la composition d’alliage x en Al et tres fortement de la composition y en Indium. Ceci restreint egalement les compositions y en Indium a des valeurs plutot faibles y<20%. Ces compositions doivent etre reduites encore plus lorsque le substrat est GaSb a cause de l’incompatibilite structurale entre les materiaux AlxGa1-x-yInyN qui est Wurtzite et GaSb qui est cubique Zinc-Blende. C’est pour cela que d’autres alliages quaternaires doivent etre explores.

Nous remarquons que les composes forme a base des elements lourd sont caracterises par une largeur de bande interdite tres etroite tel que les compose antimoniures, par contre les elements leger donne des compose a grand gap les nitrures sauf InN. Nous avons etudie l’ajustement du gap en fonction de la contrainte des alliages ternaires, quaternaires et quinaires, sous l’influence de la composition. Les alliages ternaires presente une grande lacune de miscibilite, ou l’ajustement du gap en fonction de la contrainte est tres faible, ces la raison pourquoi nous procedent d’etudie un autre systeme d’alliage qui est le systeme quaternaire, nous avons etudie les alliages quaternaire a base d’antimoniures, de nitrures et les alliages mixte nitrure d’antimoniures et arseniures d’antimoniures, le controle du gap est mieux mais les valeurs reste insuffisantes pour l’AlGaAsSb et InGaAsSb, ou l’alliages etait tres desordonne dans l’InGaNSb et L’AlGaNSb. Finalement nous avons trouve que la solution etait dans le systeme quinaire, car avec des faibles concentrations en indium le gap diminue sensiblement en fonction de la concentration en azote, et en garde un bon accord de maille.