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Généralités sur la conversion photo-thermique et la conversion photo-électrique
De façon générale, les composants photo-thermiques ou photo-voltaïques doivent avoir une grande absorption (et une faible réflexion) des rayonnements à haute énergie. En fonction de l’utilisation finale, les photons absorbés sont convertis soit en chaleur soit en électricité, évitant ainsi des conversions multiples qui peuvent affecter le rendement global de conversion. Dans les systèmes photo-thermiques, la perte de chaleur dans l’infrarouge par radiation thermique est un problème aux températures de fonctionnement élevées. Pour l’obtention d’une efficacité optimale, un absorbeur solaire doit posséder une absorption maximale dans le spectre solaire tout en présentant une émission thermique minimale dans l’infrarouge. D’où l’importance de développer une couche sélective ayant une forte absorption (ou une faible réflexion) dans les régions du visible et du proche infrarouge ainsi qu’une faible émissivité dans l’infrarouge. La performance du capteur dépendra des propriétés optiques et thermiques des matériaux qui le constituent et de sa conception. Dans la littérature, quelques solutions intéressantes ont été obtenues à base de substrats métalliques. Ces substrats présentent une conductivité thermique élevée grâce à laquelle ils peuvent garder une température la plus faible possible, alors que la surface absorbante est déposée au-dessus. Pendant les dernières décennies, des méthodes simples ont couramment été utilisées comme l’oxydation thermique ou chimique des métaux. De telles méthodes incluent par exemple des surfaces de chrome noir (CrxOy) déposées sur du cuivre massif [7], de l’oxyde d’indium dopé à l’étain [7], du tungstène noir [8] ou des carbures et des nitrures des métaux -notamment le titane, obtenus par pulvérisation [7]. Une autre méthode est la combinaison d’une couche d’absorption intrinsèque et d’un métal. Les couches d’absorption naturelles sont des semiconducteurs comme le silicium [9] et le germanium [4]. L’écart en énergie entre les bandes de valence et de conduction, appelé largeur de bande interdite ou ‘band-gap’, représente une caractéristique fondamentale des semi-conducteurs. Ceux-ci ne peuvent absorber que les photons dont l’énergie est plus grande que leur band-gap (Eg) et provoquent une transition des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. Les photons dont les énergies sont plus petites que le band-gap ne sont pas absorbés et sont donc transmis à travers le matériau.
Propriété optique du silicium
L’interaction entre les photons et un semi-conducteur se traduit globalement par une caractéristique essentielle du matériau : le coefficient d’absorption. Il exprime le ratio de puissance optique absorbée par unité d’épaisseur du matériau. Le coefficient d’absorption est fonction de la longueur d’onde.
Suivant la loi Lambert-Beer, l’intensité de la lumière traversant un milieu transparent subit une décroissance exponentielle en fonction de la distance parcourue et des propriétés du milieu qu’elle traverse.
(Eq. I-1) I(x) = I0 e -αx
I0 est l’intensité initiale de la lumière incidente, I(x) est l’intensité de la lumière après l’atténuation due à sa pénétration sur la distance x dans le matériau, et α est le coefficient d’absorption.
Avec les longueurs d’onde courtes, le coefficient d’absorption est très élevé pour le silicium, donc, la majorité de photons incidents (et transmis dans le matériau) est absorbée dans les 10 premiers nanomètres du matériau. L’énergie de ces photons est beaucoup plus élevée que le gap indirect du silicium (Eg = 1,12 eV, λ = 1,1 µm). Un électron de la bande de valence ne peut être directement excité vers la bande de conduction que grâce à un photon de plus grande énergie. L’énergie en excès est convertie en chaleur [2]. Ces transitions directes ne sont plus possibles pour des longueurs d’onde plus grandes que 1,1 µm et les photons ne sont donc pas absorbés.
Comment réduire les pertes optiques ?
Les pertes optiques sont dues principalement à la réflexion de la lumière à la surface de silicium ainsi qu’à la transmission des longueurs d’onde faiblement absorbées hors du silicium. Les pertes de réflexion à la surface exposée du silicium peuvent être réduites en appliquant une couche anti-réflexion (ou antireflets). En outre, l’absorption de la lumière dans le silicium est limitée par la dépendance forte du coefficient d’absorption de silicium avec la longueur d’onde. Si l’on augmente l’épaisseur de silicium, on peut augmenter l’absorption optique mais cela augmente le coût du matériau. L’épaisseur de silicium doit être réduite tout en maximisant la quantité de lumière absorbée dans le volume du silicium, en particulier aux longueurs d’onde infrarouge qui sont partiellement transmises. Ceci peut être réalisé en augmentant la longueur du trajet optique de la lumière traversant le silicium par une multiréflexion du rayon incident sur une surface structurée.
Soit un rayon arrivant avec une incidence normale en un point a de la surface structurée. Environ 70% de cette lumière est transmise dans le silicium et le reste est réfléchi. Cette lumière réfléchie impacte à nouveau la surface de silicium pour une seconde chance de transmission au point adjacent b. Cette double réflexion augmente donc la quantité de lumière dans le matériau et donc entraîne à un piégeage plus important des photons. De cette façon, la lumière est injectée plus efficacement dans le volume du silicium, grâce à une réduction de la réflexion, sans utilisation d’une couche d’antireflet. Le nombre de « rebonds » sur la face avant pour un tel motif périodique symétrique dépend de l’angle α des facettes de la surface structurée. Dans ce cas, l’utilisation de motifs de petites périodes et de grande hauteur augmentera la quantité de lumière piégée dans le silicium.
Pour les dispositifs à base de silicium, une surface structurée de silicium absorbante peut être obtenue par gravure humide [21, 22], par laser femtoseconde [23] ou par gravure sèche (D)RIE (Deep Reactive Ion Etching) [24, 25] avec différents motifs en forme de pointes, de colonnes ou de trous. Lorsque la structuration est dense, la surface peut devenir noire à l’œil nue. On parle alors de Black Silicon. Des surfaces de « Black métal » peuvent aussi être obtenues. Par exemple dans [24], la réflexion diffusée de la surface de Black Silicon dont la rugosité est de 517 nm et la hauteur maximum de la structure est de 4 µm, qui gravée par RIE est inférieure à 1,4% aux longueurs d’onde comprises entre 400 nm et 1000 nm. Tandis que la structure des cônes de 3 à 4 µm environ (la période est de 4 µm et la hauteur est de 6 à 7 µm) a montré une réflectance d’environ 0,4% entre 400 nm et 1000 nm. Dans le domaine des cellules photovoltaïques à base du silicium, la texturisation de la face avant était réalisée pour améliorer leur efficacité [26].
Le Black Silicon est un candidat intéressant et déjà utilisé dans la fabrication des cellules solaires [27, 28, 29]. Jinsu Yoo et al. [28] ont fabriqué une structure très dense des pyramides dont la taille est de 50 – 70 nm par la gravure RIE (SF6/O2) et l’ont utilisée comme une couche antireflet pour la cellule solaire dont l’efficacité obtenue est assez élevée : 15,1%. Hao-Chih Yuan et al. [29] ont proposé les cellules solaires à base de Black Silicon fabriqué par gravure humide en utilisant une solution chimique de 0,4mM HAuCl4 ajouté avec une solution de HF:H2O2:H2O dont le rapport correspondant était de 1:5:2 pendant 3 minutes. La nanostructure de Black Silicon obtenue possédait une réflectance de 3% et l’efficacité de la cellule solaire à base de cette structure était de 16,8%.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Etat de l’art et étude bibliographique
I.1. Généralités sur la conversion photothermique et la conversion photoélectrique
I.2. Surfaces noires absorbantes de lumière
I.2.1. Black métal
I.2.2. Le silicium noir ou Black Silicon (BS)
I.3. Les procédures de fabrication du Black Silicon (BS)
I.3.1. Gravure du Si par procédé (D)RIE
I.3.2. Gravure du Si par autres procédés
I.4. Conclusion
I.5. Bibliographie du chapitre I
Chapitre II. Fabrication et caractérisation structurale de Black Silicon par procédé DRIE cryogénique
II.1. Principes généraux de la gravure cryogénique du silicium et formation du Black Silicon (BS)
II.2. Etudes expérimentales systématique du procédé de gravure DRIE cryogénique pour la fabrication formation de Black Silicon (BS)
II.2.1. Influence du rapport de débits O2/SF6
II.2.2. Influence de la température
II.2.3. Influence du potentiel (Bias)
II.2.4. Influence du temps de la gravure
II.2.5. Discussions sur l’influence des paramètres de procédé
II.3. Étude par analyse d’images MEB d’échantillons de Black Silicon (BS)
II.3.1. De l’utilité d’effectuer une analyse quantitative des images MEB du BS
II.3.2. Analyse par transformée de Fourier
II.3.3. Analyse par granulométrie
II.3.4. Analyse par filtrage de niveaux de gris et comptage du nombre d’objets circulaires
II.3.5. Discussion et esquisse d’un modèle du mécanisme de formation du Black Silicon
II.4 Conclusion du chapitre II
II.5. Bibliographie du chapitre II
Chapitre III. Propriétés physiques de Black Silicon
III.1. Mesure de la réflectance et de la transmittance de Black Silicon (BS) par spectroscopie Visible – Infrarouge
III.1.1. Principe
III.1.2. Dispositifs expérimentaux
III.1.3. Résultats et discussions
III.2. Caractérisation structurale de Black Silicon par DRX et EDX
III.2.1. Principe
III.2.2. Dispositifs expérimentaux
III.2.3. Résultats et discussions
III.3. Spectroscopie Raman de Black Silicon
III.3.1. Principe
III.3.2. Dispositif expérimental
III.3.3. Résultats et discussions
III.4. Conclusion
III.5. Bibliographie du chapitre III
Chapitre IV. Simulation et modélisation par HFSS de la réflexion du Black Silicon
IV.1. Modélisation du silicium microstructuré par la méthode des éléments finis
IV.1.1. Domaine simulé
IV.1.2. Réflectance
IV.2. Influence des paramètres géométriques du modèle conique
IV.2.1. Rôle de la hauteur des cônes
IV.2.2. Rôle du diamètre des cônes
IV.2.3. Rôle de la périodicité des cônes
IV.3. Influence de l’angle d’incidence de la lumière
IV.4. Conclusion
IV.5. Bibliographie du chapitre IV
Chapitre V. Vers un système de conversion thermoélectrique à base de Black Silicon
V.1. Mesure de la conversion photo-thermique de Black Silicon
V.1.1. Elaboration du dispositif expérimental
V.1.2. Résultat et discussion
V.2. Potentiel d’utilisation d’une microlentille
V.3. Considérations sur les matériaux thermoélectriques
V.3.1. Les différents effets thermoélectriques
V.3.2. Facteur de mérite des matériaux thermoélectriques
V.4. Bibliographie du chapitre V
Conclusion générale
