LES PARAMETRES ELECTRIQUES D’UNE PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE 

Modélisation de la photopile à jonction verticale 

Avantages de la jonction verticale

Une faible collection des porteurs de charges minoritaires due aux courtes longueurs de diffusion est un problème majeur des photopiles à base de silicium. L’une des approches pour palier à ce problème est la fabrication des cellules à jonction verticale introduite pour la première fois en 1970 [4] pour une application dans l’espace. L’avantage de ces nouvelles cellules est la courte distance entre le lieu de génération des porteurs minoritaires dans la base et l’émetteur. Cela permet de faciliter leur collection. Une amélioration du courant de court circuit J CC peut être réalisé en  fournissant de courtes distances entre le lieu de création des porteurs est l’émetteur. Ainsi, une série de cellule à jonction verticale au silicium est fabriquée puis caractérisée. Il existe deux types de jonction verticale qui sont : I-3-2 Cellules à jonction verticale connectées en série [3] Figure 1: Schéma de connexion en séries des cellules à jonction verticale Les cellules sont connectées par l’intermédiaire d’ un métal. 

Cellules à jonction verticale connectées en parallèle

 La structure de base est donnée à l a figure (2), où les bases sont connectées entre elles et les émetteurs entre eux. I-4 Jonction PN :la zone de charge d’espace (ZCE) Considérons u n cristal de silicium composé d’un segment de type P e t d’un segment de type N. Au moment de la création de la jonction entre les deux segments un processus de diffusion se d éclenche .les trous du segment P (où concentration élevée) pénètrent dans le segment N et les électrons libres du segment N (où la concentration est élevée) vont dans le segment P. Figure3: illustration de la zone de charge d’espace Il en résulte que les couches d’atomes de donneurs les plus proches de la limite métallurgique seront démunies d’électrons libres et se transforment en des charges positives immobiles et les couches d’atomes d’accepteurs les plus proches de la limite métallurgique seront démunies en trous et se transforment en des charges négatives immobiles. Entre les deux charges égale et opposés il existe un champ électrique dont l’intensité est proportionnelle a leur quantité. Le sens de ce champ est tel qui s’oppose à l a diffusion des trous et des électrons par laquelle il a été créé. C’est cet espace formé de charges fixes et immobiles qu’on appellera la jonction ou encore la zone de charges d’espace

Etude de l’extension de la zone de charge d’espace (déplacement du point de densité maximale)

Lorsque la cellule solaire est soumise à u n éclairement, il se p roduit un processus de thermogénération de paires électrons trous par les atomes de silicium dans la partie hors de la zone de charge. Le profile de la densité relative des porteurs minoritaires dans la base en fonction de la profondeur z de la base est donné par la figure suivante Figure 4 : Profil de la densité relative des porteurs de charges minoritaires en excès en fonction de la profondeur de la base z en court-circuit, en circuit ouvert et à Sf = 10 4 cm/s Cette figure (4), illustre qu’il existe un point de cote Z0 dans la profondeur de la base où la densité relative des porteurs de charges minoritaires présente un gradient nul. Ce point, correspondant au maximum de densité de porteurs, se déplace en profondeur dans la base lorsque la vitesse de recombinaison à la jonction Sf augmente. Ainsi, lorsque la photopile fonctionne en circuit ouvert, l’élargissement de la zone de charge d’espace est faible puis il augmente en fonction du point de fonctionnement jusqu’à atteindre sa valeur maximale. La région de la base où la densité des porteurs minoritaires présente un gradient positif est assimilable à une extension de la zone de  charge d’espace vers le volume de la base. Ainsi, pour déterminer cet élargissement de la zone de charge d’espace Z0(Sf), il suffit de résoudre l’équation suivante : 0 )( = ∂ ∂ z z=zo zn I-1 ( n(z) :densité des porteurs de charges minoritaires dans la base) I-6 limite de la jonction Les directions des d éplacements d es él ectrons et des trous so us l’influence du champ électrique de la jonction PN sont opposées à celle des électrons et des trous de fusion . Leur quantité ne dépend pas d e l’intensité du champ électrique m ais de la température et de la surface transversale de la jonction Comme la diffusion diminue quand le champ électrique s’intensifie, vient un moment o u le nombre d’électrons (trous) déplacés par diffusion devient égale au nombre d’électron (trous) déplacés dans le sens opposé sous l’influence du champ électrique. On dit qu’à l’équilibre : conduction ═ diffusion A ce m oment la quantité des charges immobiles et le champ électrique dans la jonction électrique cessent de croitre. U n équilibre d ynamique s’installe dans la jonction. Cet équilibre est matérialisé par : ) 11 ( 2 NN V A D rO mx mx q Z = + εε I-2 n NN i DA mx VV T 2 = ln et q KT VT = 

Taux de génération 

L’éclairement auquel sera soumis la photopile est considéré comme uniforme. Nous aurons alors un taux de génération ne dépendant que de la profondeur x (l’axe d’éclairement) dans la base. Son expression générale sera donnée par la relation suivante  ∑ = − ⋅= 3 1i x i b e i G(x) a où l es coefficients ai et bi sont obtenus à p artir des valeurs tabulées de l’éclairement solaire et de la dépendance du coefficient d’absorption du silicium avec la longueur d’onde. Ces coefficients sont récapitulés dans le tableau suivant : i ai bi 1 6,13.1020 cm-3 .s-1 6630cm-1 2 0,54.1020 cm-3 .s-1 103 cm-1 3 0,0991.1020 cm-3 .s-1 130cm-.