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Théorie générale :
Le fonctionnement d’une cellule solaire peut être expliqué par plusieurs méthodes. Nous avons choisi la simulation pour comprendre son principe en sélectionnant deux logiciels gratuits : Le logiciel SEMICONDUCTOR DEVICE SIMULARTOR (SDS) [1] a été utilisé afin d’illustrer : le dopage d’un semi-conducteur, la formation de la jonction P-N et les différents niveaux d’énergies. Aussi, le logiciel QUITE UNIVERSAL CIRCUIT SIMULATOR (QUCS) [2] pour analyser le circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque et représenter la courbe spécifique courant-tension (I-V) et son comportement en fonction des paramètres de température et irradiation solaire.
Le Semi-conducteur :
En 1839, Becquerel a observé que lorsque certains matériaux sont exposés à la lumière, ils produisent un courant électrique [3]. Ce qui est maintenant connu comme l’effet photovoltaïque, c’est le principe de base du fonctionnement des cellules photovoltaïques ou solaires. Les cellules solaires sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs. Ces matériaux agissent comme isolants à basse température, mais lorsque l’énergie ou la chaleur est disponible, ils deviennent conducteurs. A l’heure actuelle, la plupart des cellules solaires à base de silicium sont les plus communément utilisées. Toutefois, d’autres matériaux sont de plus en plus actifs et prennent des parts de marché dans la production d’énergies photovoltaïques. Le tableau 1.1 résume quelques différents types de semi-conducteurs dans cette industrie.
Les techniques de croissance en lingots :
Les techniques produisant des matériaux semi-conducteurs en lingots jouent un rôle important dans l’industrie des semi-conducteurs et de l’énergie solaire (ex : réalisation des cellules en silicium). Aussi, les chercheurs intègrent de plus en plus ces techniques dans la réalisation de semi-conducteurs destinés aux cellules en couches minces (ex : les composé Cu (In, Ga) Se2). Ces techniques dont nous avons sélectionné les plus intéressantes ci-dessous, ont l’avantage de produire de grandes quantités de matériaux, en moins de temps et avec moins de manipulations et de contaminations sur les semi-conducteurs obtenus, ce qui permet une plus grandes possibilité de caractérisation.
Technique de Verneuil :
Le développement historique des processus de croissance en lingots des cristaux est un bon reflet de l’intérêt de la recherche à ce type de technique. La première méthode utilisée pour produire des lingots a été décrite par Verneuil, au début du 20e siècle [1]. Verneuil a étudié les cristaux de types « ruby » et « Alumina », est a bien défini que ce type de matériaux avaient des températures de fusion très élevées (prés de 2000°C), ce qui écarte l’utilisation des creusets existants à cette époque. Verneuil a pu surmonter cette difficulté en réalisant une fusion de l’alumine sous forme de poudre en brulant un mélange de gaz d’hydrogène et d’oxygène (Figure 2.1). Ainsi, il obtient des gouttelettes qui sont refroidies sur un germe afin d’obtenir un cristal, il a pu réaliser par cette technique des « ruby » cristallin artificielles.
Malgré certaines améliorations dans la méthode, le processus Verneuil reste pratiquement inchangé à ce jour. Son revers le plus significatif est venu en 1917, quand Jan Czochralski a présenté son processus d’élaboration [2], qui a trouvé de nombreuses applications dans l’industrie des semi-conducteurs, où une meilleure qualité de cristaux est produite.
Technique Czochralski :
La seconde technique pour la croissance cristalline a été introduite par Czochralski quelques années plus tard [2]. Afin d’étudier la cinétique de croissance des métaux, les matériaux nécessaires à Czochralski devaient être de petites dimensions. Afin de dissiper la chaleur latente de solidification de manière efficace et rapide, il a tiré des fils minces de la masse fondue à différentes vitesses et a obtenu des monocristaux (Figure 2.2). Cette technique utilisée pour la croissance des cristaux semi-conducteurs, à commencer a se développée dans les années 1950 pour obtenir des cristaux de hautes qualités qui sont la matière première pour l’industrie électronique.
Technologies d’encapsulation liquide :
L’invention de la technique d’encapsulation liquide [3] appelé par la suite le processus « Liquide Encapsulation Czochralski » (LEC), a eu un impact décisif sur les technologies de croissance pour les semi-conducteurs et plus précisément les composés III-V. Le processus dans son mode à basse pression est illustré sur la figure 2.3. Le système de basse pression utilise une chambre de croissance de silice de 150 mm de diamètre avec une pression de gaz inerte nécessaire pour supprimer l’évaporation des éléments du groupe V [4].
Technologies Cz à vapeur contrôlée (VCz)
Une solution à la perte par évaporation (Figure 2.4) a été mise en place par l’utilisation d’une tige de traction, tirée à travers un réservoir contenant du B2O3 [5], qui agit comme un joint liquide. Le concept est illustré sur la figure 2.4. Une caractéristique nouvelle de ce système est l’utilisation d’un joint d’étanchéité liquide de B2O3, qui permet d’équilibrer la pression dans le système. En outre, un fil sur le palier de BN agit comme une vis d’Archimède et empêche le B2O3 de couler le long de la tige de traction lors de sa rotation. Cette technique a permit d’obtenir la croissance de cristaux de InAs et GaAs [6].
Technique de la zone fondue (FZ) :
La méthode suivante est la technique de zone fondue (FZ). A la base, cette technique a été mise ou point pour la purification des lingots. Par la suite, elle a était utilisé pour la croissance des cristaux sans l’utilisation de creuset [7]. Cette technique entre dans la famille des méthodes de croissance par capillarité, comme les techniques citées précédemment. La chambre d’élaboration (Figure 2.5) de la technique de la zone fondue est mise sous vide, puis un gaz protecteurs est injecté dans la chambre. La partie inferieure de la tige d’alimentation (dans notre exemple le silicium), est chauffée jusqu’à ce qu’une goutte liquide de Si pende du trou de chauffage. Cette goutte ne tombe pas, à cause de différent phénomènes physique : adhésion, tension de surface du liquide et les forces électrodynamiques qui agissent contre la gravité, et stabilisent la zone fondue (la goutte). Par la suite, la tige inferieure où un germe de Si est fixé a son extrémité, est introduite dans la zone fondue, puis tirée avec une vitesse étudiée (très lente) vers le bas, où la température est progressivement réduite.
Technique de Bridgman :
Après l’évolution des processus de croissances basées sur la capillarité, historiquement, l’étape suivante fut la méthode de Bridgman, visant à augmenter la taille du cristal dans un creuset [8]. En dépit de l’immense avantage de résoudre le problème de contrôle de la forme cristalline, le contact entre les éléments en croissance et une paroi du creuset à de nombreux inconvénients associés, tels que l’adhérence au creuset ou l’apparition de défauts dans le cristal. Bridgman était parfaitement conscient de ces problèmes; afin d’éviter l’adhérence, il a suggéré des solutions d’amélioré sa technique en traitant le creuset avant l’expérience par graissage ou/et traitement par flamme.
Dans cette technique le matériau est placé dans un tube (ou ampoule), subis un traitement de chauffage par un contrôle du gradient de température du four. Le matériau en fusion peut être en contact avec un germe placé au bout du tube. Le matériau est par la suite refroidi par le tirage du tube dans une zone refroidie graduellement. La technique de Bridgman est utilisée pour l’élaboration des composés semi-conducteurs (ex: III-V, II-VI), ainsi que les chalcopyrites. Les avantages de cette technique est que la forme du lingot obtenue est directement liée à la forme du tube. Dans ce cas, le lingot a un diamètre uniforme. Cette technique a l’avantage de la simplicité, de la reproductibilité, ainsi que la facilité de contrôle.
Bridgman horizontale :
La technique de Bridgman horizontale (HB) a été la première technologie de croissance à être exploiter commercialement. Le cristal a été cultivé dans un tube de silice scellé dans un creuset. La technologie a été utilisée dans la production de GaAs, de type n, et a gagné une marge significative dans le marché des semi-conducteurs.
Bridgman verticale :
La translation verticale de lingots peut offrir des avantages concrets sur la croissance horizontale. La technique de Stockbarger [9], souvent désigné comme la méthode de Bridgman verticale, implique la réduction ou le retrait du lingot verticalement à partir d’un four. Cette technique n’a pas été initialement considéré comme convenable pour la croissance des cristaux semi-conducteurs. Des développements plus récents mettent en évidence la nécessité d’un traitement du creuset approprié pour améliorer la singularité et le rendement. La technique Bridgman verticale a cependant donné des perspectives de réduction de coûts. Sawada et al. [10] ont rapporté le succès du développement de cristaux semi-conducteurs appropriés, pour les dispositifs dans le domaine des communications en développement rapide.
Rotative Bridgman méthode (RBM) :
La figure 2.6 montre le schéma d’arrangement de croissance utilisé pour la croissance de InSb1-xBix [11]. Le four recouvert d’or a été très utile pour rendre l’étude plus facile. Le four est fixé sur un côté d’une plaque bascule (Figure 2.6). La plaque peut être inclinée par un moteur d’entraînement (C). Avant la croissance des cristaux, un chapeau en forme de germe cristallin de InSb et les matériaux de base In-Sb-Bi ont été insérés dans l’ampoule en quartz. Après mise sous vide et le remplissage avec de l’azote gazeux à plusieurs reprises de la chambre, l’ampoule est fixée à une tige connectée à un moteur (A). En inclinant la plaque bascule dans la direction opposée, la procédure d’ensemencement a été effectuée en reliant le germe avec la solution. La croissance des cristaux a été initiée par l’abaissement de la température du four à raison de 0,6 à 1,8 ° C / h.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 Notions générales sur les cellules photovoltaïques
1. Introduction aux cellules photovoltaïques
1.1. Théorie générale
1.1.1. Le Semi-conducteur
1.1.2. Le modèle de bande
1.1.3. La jonction P-N
1.1.4. Le circuit équivalent d’une cellule PV
1.1.4.1. La résistance de masse (volume) de la couche p
1.1.4.2. La courbe courant-tension (I-V)
1.1.4.3. Les équations de modélisation de la cellule photovoltaïque
1.1.4.3.1. Réalisation de la simulation par le logiciel QUCS
A) Le montage du circuit
B) Insertion des équations pour la configuration de la Cellule
C) Résultats de la simulation par le logiciel QUCS
2. Conclusion
3. Références Chapitre 1
Chapitre 2 Technique de croissance de semi-conducteurs en lingots et couches minces
1. Introduction
2. Les techniques de croissance en lingots
2.1. Technique de Verneuil
2.2. Technique Czochralski
2.2.1. Technologies d’encapsulation liquide
2.2.2. Technologies Cz à vapeur contrôlée (VCz)
2.3. Technique de la zone fondue (FZ)
2.4. Technique de Bridgman
2.4.1. Bridgman horizontale
2.4.2. Bridgman verticale
2.4.3. Rotative Bridgman méthode (RBM)
2.5. Technique de refroidissement normal (NF)
2.6. Fusion directe sous vide (Direct vacuum fusion)
3. Techniques de dépôt en couches minces
3.1. Méthode Physique (PVD)
3.1.1. Les principales catégories de traitement PVD
3.1.1.1. Dépôt par pulvérisation cathodique
3.1.1.1.1. Configuration de la pulvérisation
3.1.1.2. Dépôt par évaporation sous vide
3.1.1.2.1. Distribution de flux de matériau vaporisé
3.1.1.2.2. Les sources de vaporisation thermique
3.1.1.2.3. Les configurations de dépôt par évaporation…
3.1.1.2.3.1. Evaporation Flash
3.2. Dépôt en phase vapeur chimique (CVD)
3.2.1. Exemples de techniques de dépôt CVD
3.2.1.1. Le dépôt CVD sous pression atmosphérique (APCVD)
3.2.1.3. Le dépôt CVD assisté par plasma (PECVD)
3.2.1.4. Le dépôt CVD à radiation laser (LCVD)
3.2.1.5. Le dépôt par couche atomique (ALD)
3.2.1.6. Technique de transport de vapeur dans un espace fermé (CSVT)
4. Conclusion
5. Références Chapitre 2
Chapitre 3 Optimisation des paramètres d’élaboration des lingots CuInxGa1-xSe2 destinés à être déposés en couches minces
1. Introduction
2. Stratégie d’optimisation des processus de croissance des lingots
3. Les avancées des travaux initiaux
4. Procédé d’élaboration des lingots CIGS
4.1. Étapes de préparations des éléments de départs
4.1.1. Les Propriétés
4.1.2. Pesée et préparation stœchiométrique des mixtures
4.2. Préparation des tubes en quartz
4.3. Préparation du four d’élaboration
4.3.1. L’étalonnage du four
5. Mise en place du cycle de croissance du CIGS
5.1. Résultats du 1er cycle et discussion
5.2. Caractérisation structurelle par diffraction de rayon X (XRD)
5.2.1. Principe Diffraction des rayons X (XRD)
5.2.2. Le dispositif expérimental
5.2.3. Quelques spécifications du diffractomètre
5.2.4. Mesures et résultats de l’analyse par rayons X
6. Deuxieme cycle de croissance
6.1. Etape d’échauffement
6.2. Étape de fusion
6.3. Etape de cristallisation
6.4. Etape de refroidissement
6.5. Récapitulatif
7. Résultats et discutions
7.1. Caractérisation structurelle par diffraction de rayons X
7.1.1. Détermination des paramètres cristallins
7.2. Caractérisations optique par spectrophotomètre (UV-VIS-IR)
7.2.1. Principe de la spectrophotométrie
7.2.1.1. La transmission
7.2.1.2. L’absorption
7.2.1.3. La réflexion
7.2.1.4. Relation entre la transmission, l’absorption et la réflexion
7.2.1.5. Mesure de la transmission
7.2.1.6. Mesure de l’absorption
7.2.1.7. Mesure de la réflexion
7.2.1.8. Mesure du gap (Eg) optique
7.2.1.9. Le dispositif expérimental
7.2.1.10. Mesures et résultats de la caractérisation par spectrophotomètre
7.3. Caractérisation électrique
7.3.2. L’effet Hall
7.3.2.1. Le coefficient de Hall
7.3.3. Le dispositif expérimental
7.3.4. Caractéristiques du système
7.3.5. Mesures de résistivité et détermination du type de conductivité
8. Conclusion
9.Références Chapitre 3
Chapitre 4 Dépôt de couches minces de CuIn0.8Ga0.2Se2 et CuIn0.5Ga0.5Se2
1. Introduction
2. Les étapes de réalisation des couches CIGS
2.1. Résultats des travaux initiaux
2.1.1. Les techniques physiques
2.1.1.1. La pulvérisation cathodique
2.1.1.2. La co-évaporation
2.1.1.3. Evaporation Flash
2.1.2. Les techniques chimiques
2.1.2.1. Les techniques CVD
2.1.2.2. L’électrodéposition
2.1.2.3. Le dépôt par injection d’encre semi-conducteur
2.1.2.4. La pulvérisation chimique (pyrolyse)
2.1.2.5. L’épitaxie par jets moléculaires (MBE)
2.2. Mise en place de la technique de dépôt
2.3. Sélection des éléments à déposer
2.4. Préparation des éléments
3. Résultats et discussion
3.1. Caractérisation par diffraction rayon X en incidence rasante (GIXRD)
3.2. Caractérisation optique
3.2.1. Microscopie photonique ou optique
3.2.2. Le dispositif expérimental
3.2.3. Analyse par microscope métallurgique optique
3.2.4. Analyse par microscope électronique à balayage
3.2.4.1. Microscopie électronique SEM ou MEB
3.2.4.2. Le dispositif expérimental
4. Optimisation de la qualité du dépôt des couches minces CIGS
4.1. Caractérisations par rayons X
4.2. Analyse par spectrophotomètre UV-VIS-NIR
4.3. Caractérisation électrique
5. Conclusion
6. Références Chapitre 4
Conclusion Générale
Recommandations futures
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