Soutenance mémoire
Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études
Propriétés électriques de l’Oxyde de Zinc (ZnO)
En général le ZnO est un semi conducteur de type n, la grande conductivité des couches d’oxydes pures est due à la forte concentration en porteurs (électrons), étant donné que la mobilité dans ces couches est considérablement plus faible que celle en volume du matériau correspondant. La forte concentration en électrons est attribuée à la déviation par rapport à la stœchiométrie (ou défauts dans la structure). L’oxyde de zinc (ZnO) est un matériau à gap direct. Il y a une certaine anomalie dans la littérature concernant l’énergie du gap; le gap d’énergie à la température ambiante de ZnO est de 3,3 eV, tandis qu’une bande de valence à la transition de niveau de donneur à 3,15 eV explique le fait qu’une plus petite valeur (typiquement 3,2 eV) est souvent rapporté. Ainsi, le gap à la température ambiante de ZnO peut être placé dans la gamme 3,2 à 3,3 eV.
La conductivité élevée (> 5000 Ω.cm-1) est possible dans le ZnO de type n, en raison des défauts intrinsèques, des dopants (Al, In, Ga, B, F) ou en combinaison. Les mobilités rapportés des électrons dans les couches minces ZnO sont typiquement de l’ordre ~20 à 30cm2/V.s ; par contre la mobilité maximale obtenue dans les cristaux simples de ZnO est ~200 cm²/V.s. La déviation à la stœchiométrieei peut être due aux vacances d’anions ou à un excès de cations en position interstitielle. La nature exacte des défauts de structure dans la plupart des cas est encore incertaine. La réaction de formation de ZnO stœchiométrique : ZnO+++2e- ZnO (I-1)
Le ZnO est un semi-conducteur à gap direct, le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence sont situés au point de la zone de Brillouin. La largeur de la bande interdite est de l’ordre de 3,3eV, elle peut varier suivant le mode de préparation et le taux de dopage entre 3,3eV et 3,4 eV. Les propriétés électriques des cristaux de ZnO non dopés dépendent fortement de la méthode et des conditions thermodynamiques de croissance de ces derniers. En pratique on obtient uniquement par dopage un semi-conducteur 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.cm-2). En général la grande conductivité des couches d’oxydes pures est due à la forte concentration en porteurs (électrons), étant donné que la mobilité dans ces couches est considérablement plus faible que celle en volume du matériau correspondant. La forte concentration en électrons est attribuée à la déviation par rapport à la stœchiométrie (ou défauts dans la structure). La déviation à la stœchiométrie peut être due aux lacunes d’anions ou à un excès de cations en position interstitielle [5].
Etude du CdTe:
Les propriétés du tellurure de cadmium en font un candidat de choix pour le développement de couches minces des cellules solaires pour des applications terrestres. De ce fait, c’est un produit très stable, il accroit le rendement des panneaux, tout en diminuant leur cout, grâce à une meilleure capacité d’absorption de la lumière (maintien d’une bonne performance en cas de faible luminosité, le matin et en soirée notamment). Les propriétés électriques et optiques du CdTe lui font un matériau idéal pour plusieurs applications: cellules photovoltaïques, détecteurs nucléaires, modulateurs électro-optiques de rendement élevé et dispositifs photo réfractifs. Ce matériau peut montrer les deux types de conductivités n et p, qui fait la technologie de diode et les transistors à effet de champ. Les semi-magnétiques à base de CdTe, comme CdMnTe, montrent des propriétés extrêmement passionnantes qui jusqu’a maintenant n’ont pas été complètement exploitées.Le tellurure de cadmium est un composant d’alliage ternaire CdHgTe, qui est l’un des matériaux industriels principaux pour la détection infrarouge. CdZnTe aussi est employé comme substrat pour le dépôt épitaxie des couches de CdHgTe, et en tant que détecteur nucléaire, ce qui représente une application d’un énorme potentiel principalement pour des buts médicaux.
Les propriétés des piles solaires à base de CdTe sont limitées, en particulier en raison de la nature polycristalline puisque les joints de grains sont des régions de désordres, caractérisés par la présence d’un grand nombre des états défauts due à la rupture des liaisons atomiques et à la ségrégation des impuretés, ces états pièges fonctionnent comme des pièges effectifs des porteurs de charges ; ceci conduit à l’apparition d’une barrière de potentiel ce qui empêche l’écoulement des porteurs majoritaires et minoritaires depuis un grain à un autre ce qui cause la perte d’électricité, alors il affecte les propriétés électriques et optiques du matériau thermique[3].
Propriétés cristallographiques du CdTe
Le tellure de cadmium (CdTe) est un composé semi-conducteur de la famille II-VI. Il se cristallise soit dans la structure sphalérite (cubique), soit dans la structure würtzite (hexagonale). La structure sphalérite est cependant la plus stable à la pression atmosphérique et à température ambiante (T = 300 K), elle est constituée de deux sous réseaux cubiques faces centrées (cfc), l’un constitué d’atomes Cd, l’autre d’atomes Te, décalés l’un par rapport à l’autre du quart de la diagonale principale du cube. La maille élémentaire contient quatre molécules de CdTe. Le cadmium à deux électrons de valence sur une orbitale s, alors que le tellure a 6 électrons de valences (5s2 5p4). Un matériau II-VI comporte donc des liaisons hybrides .
Le CdTe possède une des plus fortes ionicités des composés II-VI qui est estimée à environ 72%, ce qui conduit à supposer un renforcement des concentrations en défauts natifs, favorisé notamment par la présence de charges électriques aux différents sites atomiques. Un rôle important est généralement attribué à ces défauts intrinsèques dans les phénomènes d’auto compensation des matériaux de cette famille [3].
Propriétés optoélectroniques du Tellurure de Cadmium (CdTe)
Le CdTe est transparent à certaines longueurs d’onde (dans l’infrarouge) et devient fluorescent à 790 nm de longueur d’onde. Si la taille des cristaux de CdTe est réduite à quelques nanomètres (ou moins), ses propriétés de boîte quantique, les pics de fluorescence passent dans le domaine du visible à l’ultraviolet.Le CdTe est un semi-conducteur à gap direct, dont la structure de bande lui permet des transitions verticales radiatives très importantes entre la bande de valence et la bande de conduction. Cette propriété est la cause principale des applications de ce matériau dans le domaine de l’optoélectronique.Le CdTe présente une large bande interdite, d’environ 1,51 eV à température ambiante (300 K), ce qui lui donne un seuil d’absorption optique dans le domaine infrarouge, notamment en détection infrarouge et en tant que substrat pour l’épitaxie des couches de CdHgTe.
Le matériau CdTe peut présenter les deux types de conductivité n ou p, avec des niveaux de dopage différents ; le changement de type est aussi possible lors des recuits thermiques, notamment sous atmosphère de cadmium. La diffusion des porteurs de charge par les imperfections du réseau cristallin, les impuretés et les défauts étendus entraine une réduction de la mobilité de ces derniers. La longueur de diffusion des porteurs minoritaires est faible, en effet, il à été observé par EBIC et cathodoluminescence, que la longueur de diffusion dans ce matériau, de type n, diminue avec le dopage, passant de Lp = 5mm pour une concentration d’électron libre de 2 .1013 cm-3 à Lp = 0,13 mm pour une concentration d’électron libre de 8 .1017 cm-3 [3].
Etude du CdS :
Le CdS appartenant au groupe II-VI est un semi-conducteur de type n qui a, à température ambiante, une résistivité électrique assez élevée permettant de l’utilisé comme une couche tampon très mince dans les cellules solaires photovoltaïques poly cristallines bien connue à base de CdTe ou de CIGS dans les cellules solaires photo électrochimiques (PEC). La structure de la cellule solaire basée sur le CdS montre de meilleures propriétés optiques et des rendements élevés [2].
Propriétés cristallographique du sulfure de cadmium (CdS)
Le sulfure de cadmium a pour formule CdS, les nombres d’oxydations du cadmium et du soufre sont : Cd2+, S2-.Le CdS peut exister en trois structures cristallines différentes représentées sur les figures : cubique (zinc blende) (fig. I.3), hexagonale (Würtzite) (fig. I.4), et Rocksalt (sel en pierre).
• Structure cubique (zinc blende)
• Structure hexagonale (Würtzite)
Les films de Sulfure de Cadmium (CdS) à structure hexagonale sont préférables pour la fabrication des cellules solaires, dues à leur excellente stabilité thermodynamique [2].
Propriétés électriques du CdS:
Tous les films obtenus d’après les investigations actuelles sont des semi-conducteurs de type n (une conductivité de type n). La résistivité électrique des films CdS obtenus par CBD est généralement étudiée. Les résistivités de surface des films CdS déposés par évaporation à différentes températures de substrat, varies de 0,333 à 18,9 Ω. Cm à température ambiante les résistivités en volume des films CdS sont approximativement huit fois plus élevées que les résistivités de surface. La nature de substrat influe sur la valeur de la résistivité. Cependant, la résistivité des films CdS déposés sur des substrats en ITO est plus élevée que celle des films déposés sur des substrats en verre. La résistivité du CdS déposé par bain chimique (CBD) sur le verre ne varie pas pendant le procédé du recuit dû aux discontinuités formées dans les films CdS, tels que, les fissures et les « pinholes ». Par contre, à l’obscurité, la grandeur de la résistivité varie considérablement d’un film à un autre. Des valeurs extrêmes (de 15 à 109Ω. Cm) ont été rapportées pour des films non dopés (des films dopés ont été rapportés avec des résistivités encore plus faibles). Puisque les films sont souvent très résistifs, ce n’est pas surprenant qu’ils exhibent une forte photoconduction. La photoconduction se produit à cause de la formation des porteurs libres par l’illumination. Par conséquent, si on commence par une faible concentration de porteurs libres (basse conductivité), alors, la conductivité sera dominée par des porteurs photo générés. Les rapports de la photoconductivité « éclairage : obscurité » dite sensibilités aussi élevées que 109ont été rapporté. Cependant, sous l’éclairage (100 mW.cm-2), les films CdS sont fortement photo actifs (photosensibles) et leur conductivité augmente . On peut constater que le temps de montée est plus long que celui de la descente causée par la réaction du phonon du réseau cristallin avec des photons. Le temps de la descente est environ 0,5 – 1s (dans beaucoup de cas, le temps d’affaiblissement du courant photoélectrique est mesuré en heures, ceci est expliqué, d’une manière générale, par des états lents ; la nature de ces états n’est pas toujours connue).Le courant photoélectrique Iph= I ‘éclairage – I ‘obscurité augmente de 10-10 à 10-5A avec l’augmentation du l’épaisseur de 26 à 95 nm. Cette augmentation en Iph est due à l’augmentation du produit « Mobilité. Temps de vie » des porteurs. Le tableau suivant montre quelques paramètres du CdS [2].
Hypothèses de calculs :
Les grandeurs Qn = Hn – Wn et Qp = HP – Wp sont respectivement les épaisseurs de l’émetteur (nZnO ou nCdS) et de la base (pCdTe), l’origine O sur l’axe x est à l’intérieur de la zone de charge d’espace. La largeur de la zone de charge d’espace est Wn + Wp, Wn étant la profondeur dans la zone n et Wp celle dans la zone p.
Si nous considérons une situation de non-équilibre, provenant de l’équation générale de transport à une dimension, on a pour les électrons dans la zone p : (np – np0) = Dn 2(np – np0) + µn E(x) (np – np0) + µn(np – np0) E(x) – np – np0 + Gn(x) (II-1)
Pour les trous dans la zone n, l’équation qui régit les phénomènes de transport est la suivante : (pn pn0) = Dp 2(pn pn0) +p E(x) (pn pn0) +p(pn pn0) E(x) pn pn0 + Gp(x) (II-2)
Où (np – np0) et (pn – pn0) sont respectivement la densité des électrons dans la zone p et la densité des trous dans la zone n.
Dn et Dp sont les coefficients de diffusion des électrons et des trous, n etp sont les mobilités des électrons et des trous,E(x) est le champ électrique dans les matériaux,
n etp sont les durées de vie des électrons et des trous, np0 et pn0 sont les densités de porteurs minoritaires à l’équilibre, Gn et Gp sont les taux de génération des électrons et des trous.
Nous supposons que le champ électrique est pratiquement nul dans les zones n et p.
Pour résoudre ces équations, on doit faire des hypothèses simplificatrices en considérant le cas où l’un des matériaux est plus dopé, ce qui permet de découpler les deux équations en négligeant le terme E(x) , ainsi que le champ électrique dans les zones quasi neutres n et p x de la cellule.
Rendement quantique :
Pour la cellule ZnO/CdTe
Influence de l’épaisseur de l’émetteur:
Dans cette hétérojonction, le ZnO est la couche fenêtre, ceci fait appelle à la transparence de cette couche. Cette propriété de transparence devrait être tributaire de l’épaisseur de l’émetteur. C’est pourquoi nous nous intéressons sur le comportement de la cellule avec la variation de l’épaisseur de l’émetteur. À la figure III.3, on a représenté le rendement quantique de la cellule en fonction de la longueur d’onde pour différentes épaisseurs de l’émetteur.
Résultats et Commentaires
Dans la gamme des longueurs d’onde comprise entre 200nm et 340nm, on observe une augmentation du rendement quantique en fonction de la diminution de l’épaisseur de l’émetteur. Dans la gamme des longueurs d’onde comprises entre 400nm et 800nm, le rendement quantique de la cellule diminue avec l’augmentation de l’épaisseur de l’émetteur. On constate aussi que la valeur maximale du rendement quantique diminue au fur et à mesure que l’épaisseur de l’émetteur devient plus grande. On observe les maximums sur les faibles longueurs d’onde lorsque l’épaisseur de l’émetteur diminue.
Le pic qui apparait vers 360nm pourrait être expliqué par l’influence des excitons et l’absorptivité de la cellule dans la zone de l’ultraviolet.
Cette décroissance du rendement quantique est due au fait que plus l’épaisseur de l’émetteur est grande plus la couche devient opaque par rapport à la lumière incidente donc on assiste à une génération insuffisante de porteur dans la base.
Donc la cellule est d’autant plus performante que l’épaisseur de l’émetteur est petite.
Influence de l’épaisseur de la cellule (de la base) :
Le CdTe constitue la partie la plus active de l’hétérojonction, c’est au niveau de cette partie que se crée la quasi-totalité des porteurs minoritaires qui nous permet d’avoir le courant photovoltaïque de la cellule.
Dans la figure III-4 on a représenté la variation des rendements quantiques de la cellule en fonction de la longueur où l’on a fixé l’épaisseur de l’émetteur à 100nm et en faisant varier l’épaisseur de la cellule donc celle de la base.
Pour des longueurs d’onde inférieures à 350nm, l’épaisseur de la base n’a aucune influence sur le rendement quantique de la cellule.
Dans la gamme des longueurs d’onde comprises entre 400nm et 700nm, le rendement quantique augmente au fur et à mesure que la longueur d’onde et l’épaisseur de la cellule augmentent. Cette augmentation du rendement quantique s’explique par la génération des porteurs minoritaires qui a eu lieu à des grandes longueurs d’onde quand l’épaisseur de la cellule donc celle de la base augmente.
Pour la cellule CdS/CdTe
Influence de l’épaisseur de l’émetteur
Comme la cellule ZnO/CdTe, dans la cellule CdS/CdTe le CdS constitue la couche fenêtre de l’hétérojonction, car étant l’émetteur. Cette appellation fait référence à la propriété de transparence de la couche de CdS, cette propriété de transparence devrait dépendre de l’épaisseur de la couche CdS. C’est pourquoi nous avons varié son épaisseur pour voir son influence sur la réponse spectrale en fonction de la longueur d’onde dans la figure III.5.
Pour de faibles longueurs d’onde comprises entre 200nm et 400nm, on note une augmentation du rendement quantique en fonction de la diminution de l’épaisseur de l’émetteur. Dans la gamme des longueurs d’onde comprises entre 500nm à 800nm, le rendement quantique de la de la cellule diminue avec l’augmentation de l’épaisseur, ce qui montre l’effet réducteur de l’épaisseur de l’émetteur sur le photocourant total. On constate que la valeur maximale du rendement quantique diminue au fur et à mesure que l’épaisseur de l’émetteur devient grande. On note aussi un déplacement de ce maximum vers les courtes longueurs d’onde lorsque l’épaisseur diminue. L’influence des excitons pourrait expliquer le pic qui apparait à 500nm [6].
Cette diminution du rendement quantique est en fait liée au fait que plus l’épaisseur de l’émetteur est grande, 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 CdS.
Influence de l’épaisseur de la cellule (de la base):
Comme on a eu à le préciser précédemment le CdTe reste toujours notre base dans l’hétérojonction. Dans notre figure III.6 on a fixé l’épaisseur l’émetteur pour pouvoir varier l’épaisseur de la cellule donc on obtient une variation de l’épaisseur de la base. C’est dans cette optique que nous jugeons utile d’étudier l’influence de l’épaisseur de la cellule donc celle de la base sur le rendement quantique pour différentes longueurs d’onde.
Les calculs sont rapportés sur la figure III.6 pour différentes épaisseurs de la cellule c’est-à-dire pour différentes valeurs de l’épaisseur de la base en fonction de la longueur d’onde.
Pour des longueurs d’onde inférieures à 500nm, l’épaisseur de la base n’a aucune influence sur le rendement quantique de la cellule dont l’épaisseur de la couche fenêtre a été fixée 100nm.
Pour toutes les épaisseurs de la cellule donc celle de la base, le pic apparait à 500nm proche du gap de CdS indique l’influence des transitions des excitons dans ce matériau. Dans la gamme des longueurs d’onde comprise entre 500nm et 800nm le rendement quantique augmente au fur et à mesure que la longueur d’onde de l’éclairement monochromatique et l’épaisseur de la base augmentent.
Cette augmentation s’explique par une génération de plus en plus uniforme de porteurs qui ne peut avoir lieu qu’à des longueurs d’onde de plus en plus grandes, lorsque l’épaisseur de la base augmente. En dessous du gap du CdTe, on note aussi une absorption de la cellule et le rendement quantique correspondant découle des transitions des excitons près du seuil du CdTe. Par conséquent, l’influence des excitons semble bien être accentuée dans les cellules de plus en plus épaisses du fait du volume plus important de la base conduisant donc à un plus grand nombre d’excitons dans cette partie de la cellule [6].
CONCLUSION :
Pour mener à bien l’étude comparative des modèles étudiés, nous nous sommes proposé de faire:
Pour les coefficients d’absorption de ces différents modèles étudiés, les figures III.1et III.2 montrent que les cellules ZnO/CdTe et CdS/CdTe dont la base commune est le CdTe nous permettent de voir que le ZnO absorbe plus que CdS .Cela est due au fait que le ZnO à son énergie de gap plus élevé que le CdS.
Concernant les rendements quantiques des cellules ZnO/CdTe et CdS/CdTe on a : Comme la cellule ZnO/CdTe le rendement quantique de CdS/CdTe augmente au fur à mesure que l’épaisseur de l’émetteur diminue.
Mais si on prend toutes les valeurs de l’épaisseur, on voit que le rendement quantique de CdS/CdTe est plus fort que la cellule ZnO/CdTe.
En définitive, on peut donc dire que la cellule CdS/CdTe est plus performante que la cellule ZnO/CdTe.
|
Table des matières
REMERCIEMENTS
Nomenclature
Listes des Tableaux et Figures
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I ETUDE DES PROPRIETES DES MATERIAUX
I-1-Etude du ZnO :
I-1-1 Propriétés cristallographiques de l’Oxyde de Zinc (ZnO)
I-1-2 Propriétés électriques de l’Oxyde de Zinc (ZnO)
I-1-3 Propriétés optiques de l’Oxyde de Zinc (ZnO)
I-2 Etude du CdTe:
I-2-1 Propriétés cristallographiques du CdTe
I-2-2 Propriétés optoélectroniques du Tellurure de Cadmium (CdTe)
I-3 Etude du CdS :
I-3-1 Propriétés cristallographique du sulfure de cadmium (CdS)
I-3-2 Propriétés électriques du CdS:
I-3-3 Propriétés optiques du CdS:
Chapitre II ETUDE GÉNÉRALE DES HETEROJONCTIONS
II-2 Structure de bande des hétérojonctions ZnO/CdTe ou CdS/CdTe et hypothèses de calculs
II-2-1 Structure de bandes des hétérojonctions ZnO/CdTe ou CdS/CdTe :
II-2-2 Hypothèses de calculs :
II-2-2-1-Densité des porteurs minoritaires excédentaires dans la zone active du monocristal CdTe :
II-2-2-2 Le photocourant dans base et l’émetteur :
CHAPITRE III RESULTATS ET COMMENTAIRES
III-1 Coefficient d’absorption
III-1-1 Pour la cellule ZnO/CdTe :
III-1-2 Pour la cellule CdS/CdTe :
III-2 Rendement quantique :
III-2-1 Pour la cellule ZnO/CdTe
III-2-2 Pour la cellule CdS/CdTe
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
Télécharger le rapport complet
