Soutenance mémoire
Effet du champ électrique sur une photopile
Influence du champ électrique résultant d’une polarisation externe sur ses paramètres électriques d’une photopile au silicium polycristallin
Dans cette partie, une étude sur l’influence du champ électrique résultant de la polarisation externe de la photopile sur ses paramètres électriques a été établie. Ainsi, une nouvelle forme de l’équation de continuité relative à la densité de porteurs minoritaires de charge dans la base est présentée et est tributaire d’un terme qui est fonction du champ électrique extérieur. A partir de l’expression de la densité de porteurs minoritaires dans la base, le photo courant, la photo tension et la capacité de la zone de charge d’espace en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction pour différentes valeurs du champ électrique sont étudiés. Enfin la détermination des résistances (série et shunt) est proposée à partir de la caractéristique.
Etude de la résistance Shunt
La résistance shunt traduit les courants de fuite au sein de la photopile. On se place en situation de court-circuit de la caractéristique I-V et à ce niveau, les défauts qui ont poussé à ne pas avoir une courbe tout à fait horizontale sont assimilables à une résistance shunt (Rsh). Ainsi la photopile est assimilable à un générateur de courant idéal qui débite un courant Jphcc en parallèle avec une résistance Rsh.
Influence d’un champ électrique extérieur sur le fonctionnement d’une photopile
Dans ce paragraphe, nous étudions l’influence d’un champ électrique extérieur sur le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque. La cellule étudiée est à base de CdS/CuInSe2 et la technique a été proposée par Serafettin Erel. L’application d’un champ électrique extérieur est une technique de traitement des semiconducteurs, permettant de réduire les pertes en volume et en surface. L’échantillon est placé entre deux plaques métalliques. Entre ces deux plaques règneunchamp électrique qui varie de 0 à 3,5.10 5 V.cm-1 .La photopile est éclairée par un laser de typeHe-Ne.
Conclusion
Dans cette partie, nous avons fait l’état de l’art des travaux sur la caractérisation phénoménologique des photopiles en présentant quelques travaux importants relatifs à la caractérisation électrique d’une photopile au silicium polycristallin soumis à un champ électrique uniforme.
Nous avons les différents modèles d’une photopile qui ont été pris pour l’élaboration de différentes techniques de caractérisation des paramètres électroniques et électriques.
Nous avons montré l’influence du champ électrique résultant de la polarisation externe d’une photopile plane sur ses paramètres électriques. Une nouvelle équation de continuité, suivant l’axe (Ox), tributaire d’un terme dépendant du champ électrique résultant de la polarisation a été établie. L’expression de la densité de porteurs minoritaires de charge a été déterminée et elle est en fonction du champ électrique. Son profil pour quelques valeurs différentes du champ électrique a été représenté et a montré que le champ augmente le nombre de porteurs renvoyés à la jonction en déplaçant le maximum de la densité vers la jonction. Le photocourant, la phototension et la capacité de la zone de charge d’espace ont été étudié à partir de l’expression de la densité de porteurs minoritaires. Leur étude a montré que le champ électrique contribue à l’augmentation du courant de court-circuit, à la diminution de la tension de circuit et à l’élargissement de la zone de charge d’espace. Tous ces phénomènes sont dus à la baisse de la vitesse recombinaison à la face arrière. Donc la polarisation de la photopile diminue les recombinaisons en volume, augmente la mobilité des porteurs de charge et facilite leurs traversées à la zone de charge d’espace et pourrait contribuer à une augmentation du rendement.
En se basant sur cette étude bibliographique, nous allons, dans le chapitre suivant, faire une étude à trois dimensions du profil des porteurs minoritaires de charge en excès dans une photopile bifaciale dans un champ électrique uniforme sous éclairement multispectral.
ETUDE DU PROFIL DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES DE CHARGE EN EXCES DANS UNE PHOTOPILE BIFACIALE DANS UN CHAMP ELECTRIQUE UNIFORME SOUS ECLAIREMENTMULTISPECTRAL
Introduction
Nous nous proposons de faire, dans ce chapitre, une étude, à trois dimensions, du profil de la densité des porteurs minoritaires de charge en excès dans une photopile bifaciale soumis à un champ électrique uniforme et sous éclairement multispectral.
Nous allons dans un premier temps présenté notre modèle d’étude, à partir duquel nous ferons une étude à trois dimensions de la photopile bifaciale sous l’influence d’un champ électrique uniforme. Sur cette base, nous nous proposons d’établir l’équation de continuité des porteurs minoritaires de charges en excès dans la base de la photopile pour un éclairement de la face avant. La résolution de cette équation de continuité en régime statique va nous permettre de déterminer l’expression de la densité des porteurs des porteurs minoritaires de charges en excès.
Enfin les effets du champ électrique uniforme appliqué, de la taille des grains, de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et du flux de lumière sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base sont étudiés et discutés.
Présentation du modèle d’étude
Notre modèle d’étude est une photopile à base de silicium polycristallin. Les solides polycristallins sont constitués par l’association de morceaux de très petites tailles de monocristaux (typiquement de dimensions micrométriques). Ces monocristaux sont séparés par des zones de transition appelées joints de grains. Aux joints de grains, l’arrangement atomique est perturbé.
Aussi, bien que chaque petit monocristal soit caractérisé par un arrangement tridimensionnel périodique des atomes, il n’y a pas de cohérence entre les orientations cristallines des différents monocristaux de l’échantillon qui sont séparés par des zones de transition où l’arrangement atomique est perturbé. Les joints de grain sont de grands centres de recombinaison, donc des facteurs influençant des paramètres macroscopiques et microscopiques de la photopile.
Etude de l’influence de la taille de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base
Ce paragraphe présente une étude de l’influence de la taille de grain, de la profondeur de la base et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la concentration des électrons au voisinage de la jonction, la photo génération des électrons dans le volume de la base et le profil de la densité des porteurs dans le volume de la base pour un éclairement par la face avant.
Influence de la taille de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la densité des porteurs au voisinage de la jonction
Nous étudions dans ce paragraphe, les influences de la taille des grains et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la quantité de porteurs photogénérés près de la jonction.
La figure 29 ci-dessous montre les influences de la taille des grains et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la quantité de porteurs photogénérés près de la jonction.
Nous constatons que la densité de porteurs minoritaires en excès dans la base de la photopile diminue lorsque la vitesse de recombinaisons en face arrière augmente. Par contre elle augmente lorsque la taille de grain augmente.
Nous constatons également que plus la taille de grains augmente, plus les recombinaisons dans la base de la photopile sont importantes. De ce fait, la densité de porteurs minoritaires en excès diminue la base de la photopile.
Nous allons dans le paragraphe suivant étudier l’influence de la profondeur de la base de la photopile sur la photo génération des porteurs minoritaires de charge en excès.
Influence de la profondeur de la base sur la photo génération des porteurs dans le volume de la base
Les courbes de la figure30illustrent la variation de la densité de porteurs photogénérés à différents niveaux de la profondeur de la base [13,59] d’une photopile pour un éclairement par la face avant. Les deux niveaux considérés de la profondeur de la base sont : la zone proche de la jonction (z= 0,0001cm)et la zone arrière(z= 0,030cm)
Etude de l’influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base
Dans ce paragraphe, nous étudions l’influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la concentration des électrons au voisinage de la jonction, la photogénération des électrons dans le volume de la base et le profil de la densité des porteurs dans le volume de la base pour un éclairement par la face avant.
Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la densité des porteurs au voisinage de la jonction
Lafigure 33ci-dessous illustrel’influence des recombinaisons aux joints de grains sur la quantité d’électrons photogénérés près de la jonction pour un éclairement par la face avant.
ETUDE DU PROFIL DE LA DENSITE DE PHOTOCOURANT ET DE PHOTOTENSION DANS UNE PHOTOPILE BIFACIALE DANS UN CHAMP ELECTRIQUE UNIFORME SOUS ECLAIREMENT MULTISPECTRAL
Introduction
Dans ce troisième chapitre est étudié le profil des densités de photocourant, dephotocourant de court-circuit, de phototension et de phototension de circuit ouvert dans une photopile bifaciale soumis à un champ électrique uniforme sous éclairement multispectral. En effet les électrons photogénérés dans la base de la photopile et ayant échappé auxphénomènes derecombinaison traversent la jonction et rejoignent les contactsmétalliques de l’émetteur. Ils sont ainsi convoyés vers le circuit extérieur afin departiciper à la production du photocourant etde la phototension.
De ce fait nous allons établir l’expression de ces différents paramètres pour enfin étudier les influences du champ électrique uniforme appliqué, de la taille des grains, de lavitesse de recombinaison aux joints de grain et du flux de lumière sur leurs comportements.
Etude du profil de la densité de photocourant
Dans ce paragraphe, nous ferons une étude du profil de la densité de photocourant. L’expression de cette densité de photocourantsera établie puis enfin nousdéterminerons l’influence du champ électrique uniforme où baigne la photopilebifaciale.
Influence de la taille de grain sur le photocourant en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
La figure 43 nous montre l’influence de la taille de grain sur la densité de photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)pour l’éclairement de la face avant.
Etude du profil de la densité de photocourant de court-circuit
Nous ferons, dans cette partie, une étude du profil de la densité de photocourant de court-circuit. L’expression de la densité de photocourant de court-circuit sera établie puis enfin nous déterminerons l’influence du champ électrique uniforme où baigne la photopile bifaciale, de la taille de grain, de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et du niveau d’éclairement.
Expressions du photocourant de court-circuit
Les porteurs photo générés dans la base de la photopile et arrivant à la jonction doivent traverser cette dernière pour participer au photo courant. L’état de court-circuit est une situation de transfert total vers l’émetteur de tous les électrons photogénérés dans la base et qui parviennent à la jonction. Cette situation apparaît aux grandes valeurs de l avitesse de recombinaison à la jonction Sf. Il n’y a plus de blocage de porteurs à la jonction et le photocourant est maximal. L’expression générale de la densité de courant de court-circuit est..
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Table des matières
Liste des figures
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Introduction
1.2 Les techniques de caractérisation des photopiles
1.2.1 Les techniques de caractérisation en régime statique
1.2.2 Les techniques de caractérisation en régime dynamique
1.2.2.1Lestechniques en régime dynamique fréquentiel (ou de modulation de fréquence et changement de phase)
1.2.2.2 Les techniques en régime dynamique transitoire
1.3 Les modèle d’étude
1.3.1 Le modèle unidimensionnel
1.3.2 Modèle tridimensionnel
1.4 Effet du champ électrique sur une photopile
1.4.1. Influence du champ électrique résultant d’une polarisation externe sur ses paramètres électriques d’une photopile au silicium polycristallin
1.4.1.1 Equation de continuité des porteurs minoritaires de charge
1.4.1.2 Etude de la densité de porteurs minoritaires de charge
1.4.1.3 Etude de la densité de photocourant
1.4.1.4 Etude de la phototension
1.4.1.5 Etude de la capacité de la zone de charge d’espace
1.4.1.6 Etude de la caractéristique I-V et détermination des résistances série et shunt
1.4.2 Influence d’un champ électrique extérieur sur le fonctionnement d’une photopile
1.5 Conclusion
Chapitre 2 : Etude du profil des porteurs minoritaires de charge en excès dans une photopile bifaciale dans un champ électrique uniforme sous éclairement multispectral
2 .1. Introduction
2.2. Présentation du modèle d’étude
2.3. Etude théorique de la densité des porteurs minoritaires de charges en excès
2.3.1 Equation de Continuité
2.3.2 Résolution de l’équation de continuité
2.3.3 Résolution de l’équation sans second membre
2.3.4 Résolution de l’équation avec second membre
2.4 Etude du profil de la densité des porteurs minoritaires de charge en excès
2.4.1 Etude de l’influence du champ électrique et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base
2.4.1.1 Influence du champ électrique et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la
base sur la densité des porteurs au voisinage de la jonction
2.4.1.2 Influence du champ électrique sur la photogénération des porteurs dans le volume de la base
2.4.1.3 Influence du champ électrique sur le profil de la densité des porteurs dans le volume de la base
2.4.2 Etude de l’influence de la taille de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base
2.4.2.1 Influence de la taille de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la densité des porteurs au voisinage de la jonction
2.4.2.2 Influence de la profondeur de la base sur la photogénération des porteurs dans le volume de la base
2.4.2.3 Influence de la taille de grain sur la photogénération des porteurs dans le volume de la base
2.4.2.4 Influence de la taille de grain sur le profil de la densité des porteurs dans le volume de la base
2.4.3 Etude de l’influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base
2.4.3.1 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la densité des porteurs au voisinage de la jonction
2.4.3.2 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la photogénération des porteurs dans le volume de la base
2.4.3.3 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur le profil de la densité des porteurs dans le volume de la base
2.4.4 Etude de l’influence du niveau d’éclairement et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur le comportement des porteurs de charge dans le volume de la base
2.4.4 1 Influence du niveau d’éclairement et de la vitesse de recombinaison en face arrière de la base sur la densité des porteurs au voisinage de la jonction
2.4.4 1 Influence du niveau d’éclairement sur la photogénération des porteurs dans le volume de la base
2.4.4 1 Influence du niveau d’éclairement sur le profil de la densité des porteurs dans le volume de la base
2.5 Conclusion
Chapitre 3 : Etude du profil des densités de photocourant et de phototension dans une photopile bifaciale dans un champ électrique uniforme sous éclairement multispectral
3.1 Introduction
3.2 Etude du profil de la densité de photocourant
3.2.1 Expressions du photocourant
3.2.2 Etude de l’influence du champ électrique sur le photocourant
3.2.2.1 Influence du champ électrique sur le photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.2.2.2 Influence du champ électrique sur le photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.2.3 Etude de l’influence de la taille de grain sur le photocourant
3.2.3.1 Influence de la taille de grain sur le photocourant en fonction de vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.2.3.2 Influence de la taille de grain sur le photocourant en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.2.4 Etude de l’influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur le photocourant
3.2.4.1 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur le photocourant en
fonction de vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.2.4.2 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur le photocourant en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.2.5 Etude de l’influence du niveau d’éclairement sur le photocourant
3.2.5.1 Influence du niveau d’éclairement sur le photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.2.5.2 Influence du niveau d’éclairement sur le photocourant en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.3 Etude du profil de la densité de photocourant de court-circuit
3.3.1 Expressions du photocourant de court-circuit
3.3.2 Etude de l’influence de la vitesse de recombinaison à la face arrière sur le photocourant de court-circuit
3.3.2.1 Influence du champ électrique sur le photocourant de court-circuit en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.3.2.2 Influence de la taille de grain sur le photocourant court-circuit en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.3.2.3 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur le photocourant courtcircuit en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière
3.3.2.3 Influence du niveau d’éclairement sur le photocourant court-circuit en fonction de la vitesse de recombinaison à la face arrière
3.4 Etude du profil de la phototension
3.4.1 Expressions de la phototension
3.4.2 Etude de l’influence du champ électrique sur la phototension
3.4.2.1 Influence du champ électrique sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.4.2.2 Influence du champ électrique sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
3.4.3 Etude de l’influence de la taille de grain sur la phototension
3.4.3.1 Influence de la taille de grain sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.4.3.2 Influence de la taille de grain sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
3.4.4 Etude de l’influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la phototension
3.4.4.1 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la jonction
3.4.4.2 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.4.5 Etude de l’influence du niveau d’éclairement sur la phototension
3.4.5.1 Influence du niveau d’éclairement sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la jonction (Sf)
3.4.3.2 Influence du niveau d’éclairement sur la phototension en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
3.5 Etude du profil de phototension de circuit ouvert
3.5.1 Expressions de la phototension de circuit ouvert
3.5.2 Etude de l’influence de la vitesse de recombinaison à la face arrière sur la phototension de circuit ouvert
3.5.2.1 Influence du champ électrique sur la phototension de circuit ouvert en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
3.5.2.2 Influence de la taille de grain sur la phototension de circuit ouvert en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
3.5.2.3 Influence de la vitesse de recombinaison aux joints de grain sur la phototension de circuit ouvert en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière
3.5.2.4 Influence du nombre d’éclairement sur la phototension de circuit ouvert en fonction de vitesse de recombinaison à la face arrière (Sb)
3.6 Conclusion
Conclusion générale
Index mathématique
Référence Bibliographique
