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Présentation du ZnO
L’oxyde de zinc est un matériau possédant des propriétés très diverses utilisées depuis des siècles à de multiples fins, de la peinture aux toitures, des capteurs piézoélectriques aux cosmétiques. Le ZnO est un semi-conducteur à large bande interdite qui émet de la lumière dans l’ultrav iolet (UV) autour de 374 nm à température ambiante. Le regain d’intérêt que la communauté des semi-conducteurs porte à ZnO ces dernières années peut être expliqué par son faible coût, sa toxicité modérée et l’importance de l’énergie de liaison de son exciton qui en fait un bon candidat pour de nombreuses applications optoélectronique dans l’UV (diodes UV, lasers …).
Propriétés éclectiques du ZnO
L’oxyde de zinc est un semi-conducteur qui présente une bande interdite d’environ 3,3 eV, ce qui permet de le classer parmi les semi-conducteurs à large bande interdite. Cette valeur de bande interdite peut varier suivant le mode de préparation et le taux de dopage, entre 3,30 eV et 3,39 eV. Il est possible de modifier largement les propriétés d’oxyde de zinc par dopage :
soit en s’écartant de la stœchiométrie ZnO, principalement par l’introduction d’atomes de zinc en excès en position interstitielle ou par la création de lacunes d’oxygène (les centres créés se comportent alors comme des donneurs d’électrons).
soit en substituant des atomes de zinc ou d’oxygène du réseau par des atomes étrangers de valence différente (élément du groupe III, F , Cl ).
En pratique, on obtient uniquement par dopage une semi conductivité de type n. Les taux de dopage obtenus peuvent être très élevés (de l’ordre de 1020 atomes/cm3), permettant d’atteindre des résistivités très faibles (de l’ordre de 10-4 Ω.cm). [11]
Propriétés optiques
L’oxyde de zinc est un matériau transparent dont l’indice de réfraction sous la forme massiv est égal à 2. Par ailleurs sous forme de couche mince, son indice de réfraction et son coefficient d’absorption varient en fonction des conditions d’élaboration. L’indice de réfraction a une valeur qui varie entre 1,90 et 2,20 suivant les auteurs. L’amélioration de la stœchiométrie de ZnO conduit à une diminution du coefficient d’absorption et à une augmentation de l’énergie de la bande interdite. L’oxyde de zinc dopé entre dans la classe des oxydes transparents conducteurs dits TCO. Très peu dopé, il peut être utilisé en luminescence. [7]
Présentation du silicium
L’intérêt pour ce matériau provient de ses propriétés optiques et électroniques et de son potentiel d’application en nanotechnologie et de son abondance naturelle sur la croute terrestre. En effet, l’intense photoluminescence dans le visible observée sur les nanocriststaux de silicium ouvre des perspectives d’application en optoélectroniques mais également en nano-électrique ou leur capacité à stocker et restituer des charges est très prometteuse. On trouve plusieurs types de siliciums, tels que le silicium monocristallin, le silicium poly cristallin et le silicium amorphe.
Structure des bandes du silicium
Le silicium a un gap indirect (Eg=1.12eV à 300K). La structure des bandes dans l’espace réciproque des k est déterminée à partir de la résolution de l’équation de Schrödinger: 2 p V (r) E 2m avec ⃗⃗⃗⃗ la quantité de mouvement, m la masse de l’électron, V(r) le potentiel cristallin de période égale à celle du cristal et ⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ la fonction de Bloch solution de l’équation.
La structure cubique du silicium en fait un semi-conducteur multivallée à 6 vallées comme le montre la représentation de sa structure des bandes dans l’espace des k sur la figure suivante. On remarque immédiatement que le gap du silicium est indirect: le maximum de la bande de valence la plus haute n’est pas aligné avec le minimum de la bande de conduction la plus basse, et il existe une dégénérescence d’ordre 2 du plus haut niveau de la bande de valence.
Sur cette figure sont aussi représentés plusieurs types de transitions électroniques pouvant avoir lieu: le chemin(1) pour les transitions bande à bande directes, le chemin (2) pour les transitions indirectes, le chemin (3) lors de la thermalisation des électrons. Les transitions directes sont plus rares que les transitions indirectes, et pour ces dernières, la conservation du moment implique la présence d’une autre particule: le phonon.
cela implique que les recombinaisons radiatives sont moins nombreuses dans le silicium que dans les semi-conducteurs à gap direct, se traduisant par un coefficient de recombinaison radiative faible : B=1,8×10-15 cm3.s-1 d’après calcul, encore évalué à B=9,5×10-15 cm3 .s-1 à partir de mesures expérimentales .Pour les matériaux à gap direct, on trouve des valeurs pour B de l’ordre de 10-10 cm3 .s-1.
Propriétés optiques du silicium
Les photons arrivant à la surface d’un matériau sont réfléchis ou transmis. Une fois qu’ils ont pénétré dans celui-ci, des phénomènes de diffusion peuvent avoir lieu avec plus ou moins d’efficacité selon leur énergie. Dans le cas d’un matériau semiconducteur, il est transparent pour les photons d’énergie inférieure à Eg tandis que ceux d’énergie supérieure peuvent être absorbés et engendrer une paire électron-trou. Les coefficients d’absorption α et de réflexion R sont calculés en fonction de la longueur d’onde λ à partir de l’indice de réfraction complexe ñ(λ) = n(λ) – ik(λ) sous incidence normale : avec n l’indice de réfraction réel du milieu et k le coefficient d’atténuation (ou d’extinction), grandeurs sans unité, i le nombre complexe tel que i2 = -1 et = (n – ik)2 le coefficient diélectrique complexe du milieu. Prenons le cas du passage de la lumière du milieu air ) au silicium . Le coefficient d’atténuation du silicium cristallin devient négligeable devant n pour λ > 400 nm et l’on peut réécrire l’équation :
On pourra noter que la valeur typique du coefficient de réflexion à 300 K du silicium est proche de R= 0, 3 sur une grande partie du spectre visible ce qui signifie que près de 30 % de la lumière incidente est réfléchie avant même de pénétrer dans le matériau. Pour améliorer les performances de conversion des cellules, une couche antireflet et/ou une texturation de la surface sont généralement appliquées en face avant de la structure (pouvant abaisser la réflexion moyenne sur le spectre utile à R < 0, 1). [8]
CONCLUSION
Nous avons vu ci-dessus que 30% de la lumière incidente est réfléchi avant même de pénétrer dans le matériau si la face éclairée est le silicium. D’où la nécessité de mettre un matériau dont le coefficient de réflexion est moindre. L’oxyde de zinc de zinc se comporte en même temps comme une couche antireflet. Ces deux matériaux mis en contact vont constituer l’hétérojonction ZnO/Si dont l’étude sera détaillé dans le chapitre suivant.
Description de la cellule à jonction ZnO/Si
Ce chapitre sera consacré, dans un premier temps à une présentation de la photopile qui fait l’objet de notre étude (ZnO/Si). La photopile sera excitée par une lumière monochromatique sous éclairement horizontal. Cette étude permettra, après avoir résolu l’équation de continuité relative à la densité des porteurs minoritaires photocréées, de déterminer la densité des porteurs minoritaires et le photocourant.
Schéma de la photopile au ZnO/Si
Une cellule photovoltaïque est formée d’une jonction np qui permet de séparer spatialement l’électron et le trou photogénérés grâce à la variation du potentiel électrochimique au sein de la structure. Une paire électron-trou photo générée dans la zone de charge d’espace(ZCE) est immédiatement dissociée par le champ électrique: les trous sont accélérés vers la zone p et les électrons vers la zone n. On a un photocourant de génération. Dans les zones n ou p, les porteurs minoritaires photogénérés diffusent et ceux qui atteignent la ZCE (dépendant de la longueur de diffusion LD de ces porteurs) sont propulsés vers la région dans laquelle ils deviennent majoritaires, où ils peuvent être collectés par les contacts ohmiques. On a un photo courant de diffusion. Ces deux contributions s’ajoutent pour donner le photo courant résultant.
Les différentes parties de la cellule
La cellule solaire est composée de :
L’émetteur (ZnO) : zone très fortement dopée en atomes donneurs (1017 à 1020 atomes cm-3), de très faible épaisseur (inférieure à 1µm),
la base (Si) : zone dopée en atomes accepteurs moins importants (1015 à 018 atomes cm-3), d’épaisseur plus importante (100 à 400 µm),
la zone de charge d’espace(ZCE): Elle se situe à l’interface émetteur-base et il y règne un champ électrique intense qui permet la séparation des paires électrons-trous qui arrivent à la jonction. Elle est d’une épaisseur très faible.
Xj: largeur de l’émetteur W : largeur de la jonction (zce)
H: largeur de la photopile
I-3 Structure des bandes de l’hétérojonction
A cause de la réflectivité élevée du silicium dans la gamme du visible (30%), d’autres alternatives sont nécessaires. En effet, pour optimiser le rendement des cellules photovoltaïques, une couche permettant de réduire la réflexion de la lumière est essentielle. Ainsi beaucoup d’hétérojonction TCOs/Si ont été étudiés. Parmi celles-ci on retrouve le ZnO/Si. Dans ce type de cellule, la couche de ZnO sert d’une part comme couche antireflet, et d’autre part pour la formation de la zone de déplétion à l’interface entre celle-ci et le substrat de silicium. La structure schématique des bandes de l’hétérojonction de ZnO/p-Si est montrée sur la figure II-2
La figure II-2 montre le diagramme de bande d’énergie de l’hétérojonction à l’équilibre. Les valeurs des gaps d’énergie et de l’affinité électronique sont les suivantes : Eg ZnO = 3.37 eV, χ ZnO = 4.35 eV et EgSi = 1.12 eV , le χ Si = 4.05 eV. [11]
Une fois en contact, les électrons du ZnO dopé n s’écoulent dans la bande de valence du silicium dopé p, et font disparaître les trous. On observe une migration des porteurs jusqu’à égalisation des niveaux de Fermi, et à l’équilibre, les contributions au courant de chaque côté de la jonction doivent être égales.
Equation de diffusion des porteurs minoritaires excédentaires
Dans le souci d’effectuer un raisonnement clair, les calculs se feront dans l’espace unidimensionnel c’est-à-dire en considérant que le transport des porteurs minoritaires se fait suivant une seule direction. On négligera alors le transport des porteurs minoritaires en surface et par conséquent le courant de surface .Lorsque la lumière éclaire la surface de l’émetteur avec une certaine longueur d’onde λ, il y a génération d’une paire électron-trou dont le taux de génération est donné par : [ ] [ ] (II-1)
F( ) : flux de photons incidents
α( ) : coefficient d’absorption
R( ) : coefficient de réflexion
Les porteurs photogénérés n’étant pas statiques, ils sont régis par l’équation de continuité suivante:
(II-2)
D : coefficient de diffusion des porteurs minoritaires excédentaires
δ(x) : densité des porteurs minoritaires excédentaires
τ: durée de vie des porteurs minoritaires excédentaires
Densités des porteurs minoritaires excédentaires sous éclairement
Dans la base (Si)
Dans cette zone, les porteurs de charges minoritaires en excès sont des électrons de charge -q. La densité de ces porteurs obéit à l’équation de continuité qui traduit la conservation de la charge. En tenant compte des phénomènes de recombinaison, de génération et de diffusion des porteurs minoritaires excédentaires dans la base, cette équation s’écrit en régime statique : Dn d 2n pnp0 n pnp0 Gn 0 (II-3)
Densité de photocourant générée par les photoporteurs
Effet du taux dopage de la base
Nous avons fait une étude sur le coefficient de liaison des excitons, ce qui nous a permis de raisonner, en fonction des valeurs de ce dernier, en terme de couplage faible et couplage fort. Nous étudierons d’abord la densité de photocourant générée d’une part par les électrons et d’autre part par les excitons. Tout ceci sera fait sous différentes valeurs du dopage de la base. L’épaisseur de la cellule est fixé à H=1000μm et l’épaisseur de l’émetteur à He= 0,03 µm.
Cas d’un fort couplage
En fixant le coefficient de couplage à (b=10-6cm3s-1), tout en variant le taux de dopage dans la base (Na=1016, Na=1017, Na=1018cm-3), nous obtenons les profils représentés dans la figure IV-1.
Effet de l’épaisseur de l’émetteur
L’émetteur ZnO constitue la couche appelée fenêtre dans l’hétérojonction et cette dénomination fait référence à la propriété de transparence de la couche de ZnO. Cette propriété de transparence devrait dépendre de l’épaisseur de la couche ZnO, c’est pourquoi nous avons jugé utile de voir le comportement de la cellule avec la variation de l’épaisseur de cette couche.
A la figure IV-4, nous avons représenté la densité de photocourant de la base en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente pour différentes épaisseurs de l’émetteur. Pour des longueurs d’ondes inférieures à 900 nm, on note une variation de la densité de photocourant par rapport à l’augmentation de l’épaisseur de l’émetteur. Dans la zone d’absorption de la cellule (400nm – 1010nm), la densité de photocourant de la base diminue avec l’augmentation de l’épaisseur de l’émetteur, ce qui montre l’effet réducteur de l’épaisseur de l’émetteur sur le photocourant total. Pour une épaisseur d’émetteur fixée, la densité de photocourant augmente jusqu’à une valeur limite pour ensuite diminuer à partir de 900 nm. Au–dessus de 900 nm, l’effet de l’épaisseur devient presque négligeable. On constate que la valeur maximale de la densité de photocourant diminue au fur et à mesure que l’épaisseur de l’émetteur devient grande.
Cette diminution de la densité de photocourant est liée au fait que plus l’épaisseur de l’émetteur est significative, plus la couche devient opaque par rapport à la lumière incidente donc ne laisse pas passer assez de photons pour générer suffisamment de porteurs dans la base. Par conséquent, la cellule est d’autant plus performante que l’épaisseur de l’émetteur est petite d’où le nom de couche fenêtre attribuée à la couche de ZnO. [9]
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Table des matières
REMERCIEMENTS
NOMENCLATURE
LISTES DES FIGURES
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I :ETUDE THEORIQUE DES MATERIAUX ZnO et Si
INTRODUCTION
I-Présentation du ZnO
I-1Propriétés éclectiques du ZnO
I-2 Propriétés optiques
II- Présentation du silicium
II-1 Structure des bandes du silicium
II-2 Propriétés optiques du silicium
CHAPITRE II : ETUDE DE L’HETEROJONCTION ZnO/Si
I-Description de la cellule à jonction ZnO/Si
I-1 Schéma de la photopile au ZnO/Si
I-2 Les différentes parties de la cellule
I-3 Structure des bandes de l’hétérojonction
I-4 Equation de diffusion des porteurs minoritaires excédentaires
II-Densités des porteurs minoritaires excédentaires sous éclairement
II-1 Dans la base (Si)
II-2 Dans l’émetteur (ZnO)
III-Photocourant
II-1 Photocourant dans l’émetteur (ZnO)
II-2 Photocourant dans la base (Si)
CHAPITRE III : THEORIE DES EXCITONS
I- Rappels sur les excitons
II- Equation de diffusion des électrons et des excitons dans la base
II-1 Densités des électrons et excitons du système couplé électrons-excitons
II-2 Densité du courant de court-circuit du système couplé électrons-excitons
CHAPITRE IV : RESULTATS ET COMMENTAIRES
I- Densité de photocourant générée par les photoporteurs
I-1 Effet du taux dopage de la base
I-1-1 Cas d’un fort couplage
I-1-2 Cas d’un faible couplage
I-2 Effet de l’épaisseur de l’émetteur
II-Caractéristiques I-V
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
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