Soutenance mémoire
VENT SOLAIRE
Le vent solaire est un plasma magnétisé, sans collision, de faible densité. Le vent solaire emporte avec lui une infime partie du champ magnétique solaire et s’écoule continuellement autour de la magnétosphère terrestre à la vitesse moyenne de 400 km/s. Le vent solaire est constitué d’électrons, de protons et à un degré moindre d’hélions ou particules alpha qui forment, rappelons-le, un ensemble électriquement neutre (plasma). La densité du plasma est de l’ordre de 10 particules par cm 3 au niveau du soleil et de 10 particules par cm -3 particules au niveau de la terre. Le soleil perd plus d’un million de tonnes de matière par seconde.
Il existe des perturbations solaires qui affectent le vent solaire : les éjections de masse coronales (CME) qui correspondent à l’éjection d’une masse importante de matière solaire dans le milieu interplanétaire et les trous coronaux qui produisent des vents solaires rapides de plus de 600km/s. Les photographies du soleil prises lors d’éclipses où à l’aide de coronographe font apparaître d’immenses flamèches qui s‘étendent jusqu’à plus de 10 millions de kilomètres du soleil et permettent de visualiser la chromosphère et les protubérances, on voit cela sur la figure 1.12 (a). Sur la figure 1.12 (b) une éjection de masse coronale se superpose aux flamèches.
ERUPTIONS SOLAIRES
Durant les éruptions solaires, d’importants flux de protons énergétiques sont produits et atteignent la Terre. De tels évènements sont imprévisibles tant du point de vue du moment auquel ils apparaissent, que de leur magnitude, leur durée ou leur composition (M. Moldwin, 2008). Le champ magnétique terrestre protège une région de l’espace proche de la Terre de ces particules (bouclier géomagnétique), mais elles atteignent facilement les régions polaires et les hautes altitudes telles que les orbites géostationnaires.
Dans le cadre du contexte radiatif, on peut distinguer deux types d’éruptions solaires :
– les éruptions solaires à électrons et protons, dont la durée va de quelques heures à quelques jours, et dont l’émission principale est constituée de protons d’énergies importantes (jusqu’à quelques centaines de MeV).
RAYONNEMENT COSMIQUE
Le rayonnement cosmique a été découvert par V. Hess en 1912 grâce à des mesures effectuées à partir de ballons sondes. Il est constitué de 1% d’ions (noyaux d’atomes lourds privés d’une partie de leur cortège électronique) de très grande énergie (Energie > 1 MeV), de 85% de protons, 2% d’électrons et de 12% de noyaux d’hélium (R. L. Fleischer et al, 1975). Une partie, correspondant aux ions les plus énergétiques, est extragalactique et l’autre partie est d’origine galactique. Les flux de ces particules sont faibles mais, puisqu’elles incluent des ions lourds énergétiques, elles induisent une très forte ionisation quand elles traversent la matière : certains ions atteignent l’énergie de 10 eV. Ces particules peuvent donner lieu à des évènements singuliers SEU (Single Event Upset) dans les composants électroniques fortement intégrés, tout comme des interférences (perturbations dans les communications) et des effets radiobiologiques.
CEINTURES DE RADIATIONS
Le champ géomagnétique terrestre peut piéger de façon plus ou moins stable des particules (essentiellement électrons et protons) ; il en résulte la présence de « ceintures de radiations », structures toroïdales nichées à l’intérieur de la magnétosphère (J. K. Hargreaves, 1992).
Les ceintures de radiations sont principalement constituées d’électrons d’énergie allant jusqu’à quelques MeV et de protons d’énergie allant jusqu’à plusieurs centaines de MeV.
Le tableau suivant résume les différentes radiations que l’on rencontre dans l’environnement spatial.
ENVIRONNEMENT RADIATIF ATMOSPHERIQUE ET TERRESTRE ISSUS DU RAYONNEMENT COSMIQUE
Après avoir présenté l’environnement radiatif spatial et celui proche de la terre, nous allons nous intéresser aussi à l’environnement radiatif atmosphérique et terrestre.
La Terre et son environnement immédiat sont relativement protégés des radiations cosmiques grâce au champ magnétique et à l’atmosphère de la terre. Ceux-ci constituent un véritable écran semi-perméable arrêtant la plus grande partie des radiations issues de l’espace. Cependant, compte tenu de l’intégration de plus en plus poussée, les particules qui franchissent notre barrière naturelle terrestre présentent un niveau de dangerosité qui ne fait qu’augmenter.
L’environnement radiatif atmosphérique résulte essentiellement de l’interaction des particules primaires, c’est-à-dire issues des rayonnements cosmiques, avec les atomes constituant les molécules de l’atmosphère (entre autre : 78 % d’azote et 21 % d’oxygène) (C. Vial, 1998).
L’environnement radiatif sous accélérateur
Compte tenu de la présence d’un nombre croissant de réacteurs nucléaires, d’usines de production ou de retraitement de combustibles, d’usines de traitement de déchets, ou encore d’installation de stockage de déchets, les composants électroniques sont exposés à des flux de particules radioactives. Au sein même des réacteurs, les produits issus de la fission des combustibles nucléaires sont principalement des neutrons, des particules α et à des doses et des débits de dose très élevés (pouvant atteindre le GGy en dose cumulée). Hors réacteurs, on a essentiellement des rayons qui sont recensés (de l’ordre du kGy = 1 Mrad).
La qualification et la sélection des composants électroniques destinés aux applications spatiales nécessite d’évaluer sur terre les contraintes radiatives prévalant dans l’espace d’où la mise en place de tests accélérés (c’est-à-dire dans des temps relativement courts par rapport aux durées des missions (J. Boch et al, 2005 ; J. Boch et al, 2006). Ceci explique l’utilisation, comme moyens de tests, d’accélérateurs de particules délivrant tout un ensemble de particules (électrons, neutrons, protons et ions lourds) dont l’énergie peut atteindre plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de GeV.
ANALYSIS AND MODELING OF ELECTRON AND PROTON IRRADIATION
EFFECTS IN CU(IN,GA)SE2 SOLAR CELLS (K. WEINERT ET AL, 2001)
Une étude théorique et expérimentale des defaults créés suite à une irradiation d’une photopile de type CIGS par un flux de protons et des électrons est faite.
A partir d’une spectroscopie d’impédance et de l’analyse des dégradations induites sur les propriétés de la photopile, le taux d’injection des défauts pour les CIGS suite à une irradiation par les protons aussi bien que par des électrons a été trouvé. La résistance du CIGS par rapport au bombardement par les électrons est nettement meilleure à celle par les protons ; de plus lors d’un bombardement par des électrons seule la tension de circuit ouvert est détériorée alors que dans le cas du bombardement par les protons, toutes les valeurs montrent que le CIGS semble 1000 fois plus résistant à l’irradiation par les électrons que par les protons.
DISPLACEMENT DAMAGE DOSE ANALYSIS OF PROTON IRRADIATED CIGS SOLAR CELLS ON FLEXIBLE SUBSTRATES (R.J. WALTERS ET AL, 2001).
L’analyse de l’irradiation par des protons de photopile de type CIGS CuIn(Ga)Se2 est présenté.
L’étude montre que les cellules sur substrats flexibles présentent des résultats semblables à celles sur verre en termes de dose de dommage (Dd).
Les caractéristiques I-V sous obscurité ont été présentées avant et après irradiation ; elles ont montré que le comportement de la photopile dépendait alors de la tension de polarisation, car pour des faibles tensions de polarisation, le courant d’obscurité est réduit (après irradiation) tandis que pour les tensions de polarisation plus grandes, c’est le contraire : le courant d’obscurité augmente après irradiation.
SILICON SOLAR CELLS RECOMBINATION AND ELECTRICAL PARAMETERS (Saïdou Madougou et al, 2010).
Dans cet article, l’auteur montre qu’Aujourd’hui, les besoins énergétiques du monde sont en constante augmentation. Toutefois, les sources d’énergie sont limitées. L’énergie solaire photovoltaïque (PV) est l’une des rares sources capables de fournir les besoins en énergie de ce monde. La conversion de la lumière du soleil en électricité en utilisant le système solaire est un moyen très intéressant de production d’une énergie alternative ou dite renouvelable. Le système photovoltaïque utilise diverses matériaux et des technologies tels que silicium cristallin (c-Si), tellurure de cadmium (CdTe), L’arséniure de gallium (GaAs), les films de chalcopyrite ; CuivreIndium-Sélénium (CuInSe2) ; etc… Le défi des chercheurs est d’améliorer l’efficacité des cellules solaires. Différentes méthodes de caractérisations ont été développées pour caractériser les cellules solaires. C’est ce qui a permis la détermination des paramètres de recombinaison et électrique. En effet, il est important de connaître ces paramètres pour estimer le degré de la perfection et la qualité des cellules solaires en silicium. Dans ce travail, la photopile est présentée dans ses différentes formes : Monofaciale ; Bifaciale.
MEASUREMENT OF DIFFUSION LENGTH IN P-N JUNCTION SILICON SOLAR CELL (Rana O et al, 2008).
Dans ce travail, des cellules solaires à jonction PN au silicium ont été fabriquées en utilisant une technique de dépôt de plasma assisté.La longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans la base d’une cellule solaire au silicium a été déterminée en mesurant lecourant de court – circuit en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente. L’intensité de la lumière incidente nécessaire pour obtenir un courant de court-circuit est une fonction linéaire de l’inverse du coefficient d’absorption pour chaque longueur d’onde, et l’extrapolation de ce rapport à intensité nulle donne la longueur de diffusion. La précision de cette méthode semble être grandement acceptée.
RECOMBINATION PARAMETERS MEASUREMENT IN SILICON DOUBLE SIDED SURFACE FIELD SOLAR CELL (G.Sissoko et al, 1998).
Une étude en régime statique d’une photopile bifaciale n + pp + est présentée. La vitesse de recombinaison des porteurs de charge en face arrière Sb est supposée constante quel que soit la face éclairée. Les densités de courant de court circuit Jsc 1 et Jsc 2 s’expriment alors de la façon suivante:
SILICON SOLAR CELL RECOMBINATION PARAMETERS DETERMINATION USING THE ILLUMINATED I-V CHARACTERISTIC (G. Sissoko et al, 1998)
Il s’agit de déterminer les paramètres de recombinaison d’une photopile monofaciale soumise à un éclairement multispectral constant. La vitesse de recombinaison à la jonction est présentée comme ayant deux parties:
La première Sf0 qui représente les pertes dues aux états d’interface
La seconde Sfi qui est fixée par la charge externe et définit le point de fonctionnement.
La densité de courant est présentée comme une fonction de calibration de la longueur de diffusion. Son intersection avec la densité de courant de court circuit expérimentale donne la longueur de diffusion effective Leff des porteurs minoritaires de charge dans la base de la photopile.
DETERMINATION DE LA LONGUEUR DE DIFFUSION DES PORTEURS DE CHARGE MINORITAIRES DANS LE SILICIUM CRISTALLIN PAR INTERACTION LUMIERE MATIERE (Yassine SAYAD, 2009).
Dans ce travail l’auteur fait une mesure de la longueur de diffusion et de durée de vie des porteurs de charges dans des matériaux de très faible qualité et/ou des couches minces de silicium (couches épitaxiées ou matériaux dont la longueur de diffusion est supérieure ou égale à l’épaisseur.
Dans un premier temps, l’auteur procède à l’analyse de la longueur de diffusion par courant induit par faisceau laser LBIC (Light Beam Induced Current) a été développée et ça été corrélé d’autres techniques en place au Laboratoire.
Ensuite des mesures de photoluminescence pour analyser et valider les modèles existants en couplant l’analyse analytique et la simulation. Cela nous a permis de donner des limites d’applicabilité des modèles analytiques pour les différents matériaux utilisés dans l’industrie photovoltaïque. Les porteurs minoritaires en excès dans le semi-conducteur diffusent vers toutes les directions sous le gradient de leur concentration. Les porteurs collectés par le collecteur (jonction PN superficielle ou diode Schottky) donnent un courant dépendant de la distance faisceau collecteur, de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires et de leur vitesse de recombinaison aux surfaces limites. L’expression du courant induit dépend de la structure utilisée : structure à collecteur perpendiculaire ou parallèle au faisceau.
TRANSIENT STUDY IN N-CDS/P-CIS SOLAR CELL FOR EXCESS MINORITY CARRIER RECOMBINATION PARAMETERS DETERMINATION (A. L. Ndiaye et al, 1996)
Les auteurs présentent la détermination des paramètres de recombinaison d’une cellule n CdS/pCIS grâce à la technique de variation du point de fonctionnement sous lumière multispectrale constante.
Les paramètres de recombinaison sont ensuite présentés pour une cellule d’épaisseur 2μm.
THEORETICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF IRRADIATION ON A SILICON SOLAR CELL UNDER MULTISPECTRAL ILLUMINATION (M.A. Ould El Moujtaba et al, 2012)
Dans ce travail, l’auteur montre les effets de l’irradiation sur les propriétés d’une photopile au silicium. La densité relative des porteurs minoritaires de charges est présentée et montre que la largeur de la région de charge d’espace dépend des paramètres d’irradiation (énergie d’irradiation et de la nature des particules). L’auteur a aussi montré en régime statique l’influence de l’irradiation sur les paramètres suivants: densité de photocourant, tension en circuit ouvert, facteur de forme, efficacité de conversion, résistances shunt, résistances série.
CONCLUSION
L’étude bibliographique que nous venons de faire a montré que certains auteurs ont étudié l’influence des particules énergétiques issus des environnements radiatifs spatiaux et terrestres (protons, électrons et ions lourds), soit sur les paramètres électroniques (Durée de vie et longueur de diffusion), soit sur les paramètres électriques telle que la tension, le courant et la puissance sur une photopile bifaciale. M.A. Ould El Moujtaba et al 2012 a poursuivi cette étude sur une photopile bifaciale en régime statique, en étudiant l’influence de l’irradiation sur les paramètres électroniques et électriques. Dans ce travail, nous allons mener l’étude cette fois en régime transitoire obtenu par variation du point de fonctionnement. Nous étudierons en particulier l’influence de l’irradiation et du coefficient de dommage sur les paramètres électroniques et électriques d’une photopile bifaciale au silicium.
ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN REGIME TRANSITOIRE
Éclairement face avant
Nous présentons sur la figure 2.15 l’évolution de l’excès de porteurs à la jonction en fonction du temps δ av (0,t) ainsi que δ av,n(0,t) lorsque la photopile bifaciale est éclairée par sa face avant, pour différents modes de fonctionnement définis par ω av,n. Cette évolution de la densité des porteurs enexcès est obtenue pour un coefficient de dommage et une énergie d’irradiation donnés (figure2.15)
INTRODUCTION
Dans ce chapitre nous allons présenter une étude des paramètres électriques de la photopile bifaciale soumise à un éclairement multispectral constant et sous irradiation. A partir des résultats obtenus avec la densité des porteurs, nous allons montrer l’influence de l’énergie d’irradiation Ф et du coefficient de dommage Kl sur la tension transitoire, sur le photocourant transitoire et finalement sur la capacité transitoire. L’étude est menée pour les trois modes d’éclairement de la photopile bifaciale à savoir : l’éclairement par la face avant, l’éclairement par la face arrière et l’éclairement simultané des deux faces.
Nous constatons au niveau des Figures 3.10et 3.11que la densité de photocourant transitoire diminue d’amplitude lorsque le niveau d’irradiation augmente. L’irradiation affecte la densité des porteurs, le passage de porteurs à travers la zone de charge d’espace diminue, la vitesse de recombinaison au niveau de la jonction diminue, ce qui fait qu’il ya diminution de l’amplitude de la densité de photocourant transitoire.
Influence de la vitesse de recombinaison
La Figure 3.12 ci-dessous présente le profil du photocourant transitoire pour différentes valeurs de vitesses de recombinaisons,
CONCLUSION
L’étude que nous venons de réaliser permet de voir que l’irradiation des photopiles agit sur les paramètres électriques de la photopile au silicium. Pour les modes d’éclairement en face avantet en face arrière, on constate une diminution d’amplitude au niveau de la densité des porteurset au niveau des paramètres électriques tels que le photocourant transitoire et la capacitétransitoire. Pour un éclairement simultané de la photopile, les paramètres électriques ne subissent pas l’irradiation. Ceci est dû à la compensation entre l’interaction particule-matière et la création de paires électrons trous.
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Nous avons présenté dans ce travail l’impact de l’irradiation par des particules énergétiques sur une photopile bifaciale au silicium en régime dynamique transitoire. Un accent a été mis sur les effets de dégradation de la dite photopile suite à son éclairement par sa face avant, par sa face arrière et puis par ses deux faces simultanément.
L’étude bibliographique a conduit à la possibilité d’utiliser une expression empirique de la longueur de diffusion tributaire à la fois de l’énergie d’irradiation et du coefficient de dommage.
Le travail que nous avons effectué a permis d’établir à partir de l’équation de continuité une nouvelle équation transcendante, fonction de l’énergie d’irradiation et du coefficient de dommage Kl.
Ainsi, nous avons pu montrer qu’à partir d’une résolution graphique de l’équation transcendante, on obtient des valeurs propres qui sont modifiées lorsque l’énergie et le niveau d’irradiation changent. Ce qui présageait l’impact sur les paramètres électroniques et électriques de la photopile pour différents modes d’éclairement.
Dans cette présente thèse, notre contribution majeure pour la caractérisation des matériaux semi conducteurs en général et des photopiles bifaciales en particulier, peut se résumer en ces termes:
une forte influence de l’énergie d’irradiation Ф et du coefficient de dommage Kl notée sur la densité des porteurs minoritaires, la densité de photocourant transitoire et la capacité transitoire.
l’amplitude de la tension transitoire n’est pas modifiée quel que soit le type d’éclairement.
pour un éclairement simultané de la photopile, les paramètres électriques ne subissent pas l’irradiation à cause de l’effet de compensation entre l’interaction particule-matière et la création de paires électrons trous.
Pour la suite de ce travail, il peut être envisageable entre autres:
de poursuivre l’étude en régime dynamique fréquentiel ;
d’étudier l’impact de l’énergie d’irradiation sur une photopile bifaciale à jonction verticale en régime dynamique transitoire ;
de reprendre cette étude pour une photopile à trois dimensions et inclure la notion de joints de grain ;
d’étudier l’effet de l’énergie d’irradiation sur les résistances shunt R sh et série Rs.
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Table des matières
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
NOMENCLATURE
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
I.1_ SPECTRE SOLAIRE
I.2_ ENVIRONNEMENT RADIATIF SPATIAL.
I.2.1_ VENT SOLAIRE
I.2.2_ ERUPTIONS SOLAIRES
I.2.3_ RAYONNEMENT COSMIQUE
I.2.4_ CEINTURES DE RADIATIONS
I.3_ ENVIRONNEMENT RADIATIF ATMOSPHERIQUE ET TERRESTRE ISSUS DU RAYONNEMENT COSMIQUE
I.4_ ETAT DE L’ART
I.4.1 PHOTOPILES SOUS IRRADIATION
I.4.2 CARACTERISATION DES PHOTOPILES
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES DE CHARGES POUR UNE PHOTOPILE BIFACIALE SOUS IRRADIATION
INTRODUCTION
II.1_ PRESENTATION DE LA PHOTOPILE BIFACIALE
II.1.1_ Dispositif expérimental
II.1.2_ Principe de fonctionnement du dispositif expérimental
II.2_ DETERMINATION DE LA DENSITE DES PORTEURS.
II.2.1_ Equation de continuité en régime transitoire
II.3 ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES EN REGIME TRANSITOIRE:
CHAPITRE III: PARAMETRES ELECTRIQUES DE LA PHOTOPILE BIFACIALE EN REGIME TRANSITOIRE
INTRODUCTION
III.1 LA TENSION TRANSITOIRE
III.1.1_ Eclairement face avant
III.1.2_ Eclairement face arrière
III.1.3_ Eclairement simultané
III.2_ PHOTOCOURANT TRANSITOIRE
III.2.1_ Eclairement face avant
III.2.2_ Eclairement face arrière
III.2.3_ Eclairement simultané
III.3_ CAPACITE TRANSITOIRE.
III.3.1_ Eclairement face avant
III.3.2_ Eclairement face arrière
III.3.3_ Eclairement simultané
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
