nouvelle génération de semi-conducteurs : des écrans, à l’éclairage en passant par le...

Nouvelle génération de semi-conducteurs :Des écrans, à l’éclairage en passant par le

photovoltaïque

Laurence VIGNAU

Recherche : Laboratoire IMSEnseignement : ENSCBP/Bordeaux INP

laurence.vignau@ims-bordeaux.fr

Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014

L’équipe « Electronique Organique » de l’IMS

Travaux de recherche de l’équipe

Cellules photovoltaïques organiques Diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) Cellules solaires à colorants Transistors à effet de champ organique (OFETs) Photodétecteur

Intégration de semi-conducteurs organiques dans

Sommaire

I. Généralités sur les matériaux semi-conducteurs

II. Les semi-conducteurs inorganiques Semi-conducteurs intrinsèques Semi-conducteurs extrinsèques : dopage Applications : LEDs, photovoltaïque

III. Les semi-conducteurs organiques « Petites molécules » et polymères conjugués Applications : écrans OLEDs, photovoltaïque

Les matériaux semi-conducteurs1 1,008

1 numéro atomique masse atomique3 6,939 4 9,012 4 9,012

structure électronique symbole solide artificielliquide

2 11 23,00 12 24,31 nom gaz

319 39,10 20 40,08 21 44,96 22 47,90 23 50,94 24 52,00 25 54,94 26 55,85 27 58,93 28 58,71 29 63,55

437 85,47 38 87,62 39 88,91 40 91,22 41 92,91 42 95,94 43 98,91 44 101,1 45 102,9 46 106,4 47 107,9

555 132,9 56 137,3 57 198,9 72 178,5 73 180,9 74 183,9 75 186,2 76 190,2 77 192,2 78 195,1 79 197,0

687 223 88 226 89 227

* 58 140,1 59 140,9 60 144,24 61 145 62 150,35 63 152,0 64 157,3

Lanthanides6

** 90 232,0 91 231 92 238,0 93 237,1 94 244 95 243 96 247

Actinides7

/------------------------8------------------------\ 1B4B 5B 6B 7B

1AGroupe

Sodium Magnésium

Be1s22s2

Hydrogène

Be1s22s21s22s1

Beryllium

Na Mg(Ne)3s1 (Ne)3s2

BerylliumLithium

K Ca(Ar)4s1 (Ar)4s2

Potassium Calcium

Rb Sr(Kr)5s1 (Kr)5s2

Rubidium Strontium

Cs Ba(Xe)6s1 (Xe)6s2

Césium Barium

Fr Ra(Rn)7s1 (Rn)7s2

Francium Radium

Sc(Ar)3d14s2

Scandium

Y(Kr)4d15s2

Yttrium

La*(Xe)5d16s2

Lanthane

Ac**(Rn)6d17s2

Actinium

Ti V Cr(Ar)3d24s2 (Ar)3d34s2 (Ar)3d54s1

Titane Vanadium Chrome

Zr Nb Mo(Kr)4d25s2 (Kr)4d45s1 (Kr)4d55s1

Zirconium Niobium Molybdène

W(Xe)4f145d26s2 (Xe)4f145d36s2 (Xe)4f145d46s2

Tantale Tungstène

MnMaganèse

(Kr)4d55s2

ReRhénium

Fe Co(Ar)3d54s2 (Ar)3d64s2 (Ar)3d74s2

Fer Cobalt

Tc Ru Rh(Kr)4d75s1 (Kr)4d85s1

Technétium Ruthénium Rhodium

Os Ir(Xe)4f145d56s2 (Xe)4f145d66s2 (Xe)4f145d76s2

Osmium Iridium

Ni CuNickel Cuivre

(Kr)4d105s0 (Kr)4d105s1

(Ar)3d84s2 (Ar)3d104s1

Pd AgPalladium Argent

Platine Or

(Xe)4f145d106s0 (Xe)4f145d106s1

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd(Xe)4f75d16s2

Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium

(Xe)4f25d06s2 (Xe)4f35d06s2

(Xe)4f65d06s2 (Xe)4f75d06s2(Xe)4f45d06s2 (Xe)4f55d06s2

Cm(Rn)5f06d27s2 (Rn)5f26d17s2 (Rn)5f36d17s2 (Rn)5f56d07s2 (Rn)5f66d07s2 (Rn)5f76d07s2 (Rn)5f76d17s2

Th PaThorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium

2 4,003

5 10,81 6 12,01 7 14,01 8 15,99 9 18,99 10 20,18

13 26,98 14 28,09 15 30,97 16 32,06 17 36,45 18 39,95

30 65,38 31 69,72 32 72,59 33 74,92 34 78,96 35 79,91 36 83,80

48 112,4 49 114,8 50 118,7 51 121,8 52 127,6 53 126,9 54 131,3

80 200,6 81 204,4 82 207,2 83 209,0 84 210 85 210 86 222

65 158,9 66 162,5 67 164,9 68 167,3 69 168,9 70 173,0 71 175,0

97 247 98 251 99 254 100 257 101 256 102 254 103 257

7A6A5A4A

Zn(Ar)3d104s2

Cd(Kr)4d105s2

Cadmium

Mercure

Hg(Xe)4f145d106s2

Ga Ge(Ar)3d104s24p1 (Ar)3d104s24p2

Gallium Germanium

In Sn(Kr)4d105s25p1 (Kr)4d105s25p2

Indium Étain

B C1s22s22p1 1s22s22p2

Bore Carbone

Al Si(Ne)3s23p1 (Ne)3s23p2

Aluminium Silicium

N O1s22s22p3 1s22s22p4

Azote Oxygène

P S(Ne)3s23p3 (Ne)3s23p4

Phosphore Soufre

F Ne1s22s22p5 1s22s22p6

Fluor Néon

Hélium

As Se Br Kr

(Ne)3s23p5 (Ne)3s23p6

Chlore

(Ar)3d104s24p3 (Ar)3d104s24p4 (Ar)3d104s24p5 (Ar)3d104s24p6

Arsenic Sélénium Brome Krypton

Sb Te I XeIode Xénon

(Kr)4d105s25p3 (Kr)4d105s25p4 (Kr)4d105s25p5 (Kr)4d105s25p6

Antimoine Tellure

At Rn(Xe)4f145d106s26p1 (Xe)4f145d106s26p2 (Xe)4f145d106s26p3 (Xe)4f145d106s26p4 (Xe)4f145d106s26p5 (Xe)4f145d106s26p6

Tl PbThalium Plomb Bismuth Polonium Astate Radon

Dy Tm YbTbTerbium

(Rn)5f76d27s2

Lu(Xe)4f95d06s2 (Xe)4f105d06s2 (Xe)4f115d06s2 (Xe)4f125d06s2 (Xe)4f135d06s2 (Xe)4f145d06s2 (Xe)4f145d16s2

Ho ErLutétium

Bk Cf Es Fm Md No (Lw)

Dysprosium Holmium YtterbiumErbium Thulium

Berkélium Californium Einsteinium Fermium Mendéléviuml Nobélium Laurencium

(Rn)5f96d17s2

Les matériaux semi-conducteurs

II III IV V VI

Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Eléments semi-conducteurs :

→ éléments appartenant au groupe IV (4 électrons de valence)

Différents types de matériaux semi-conducteurs

Si : SC dominant (98% du marché)Ge : 1er SC utiliséa-Sn (étain gris) : rare

Si : (Ne)3s23p2 : 4 électrons de valenceGe : (Ar)3d104s24p2 : 4 électrons de valence

Ga : (Ar)3d104s24p1 : 3 électrons de valence

As : (Ar)3d104s24p3 : 5 électrons de valence

En moyenne4 électronsde valence

Semi-conducteurs composés

binaires : III-V (GaAs, GaN, InAs)II-VI (CdTe, ZnS)I-VII (CuBr)

ternaires : GaAs0,6 P0,4

quaternaires

II III IV V VI

Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Semi-conducteurs non cristallins

Silicium amorphe

Verres semiconducteurs (sulfure de germanium), chalcogénures (Se, As2Se3)

Semiconducteurs organiques

• molécules de faible masse molaire

• polymères conjugués

H13C6 C6H13

PolyfluorèneS n

Poly(3-hexylthiophène)

anthracène naphtalène

Métal / isolant / semi-conducteur

Conductivité croissante

Conduction dans les semi-conducteurs

Conduction par électrons et trous

Semi-conducteurs intrinsèques

Semi-conducteur intrinsèque : Semi-conducteur pur, dépourvu d’impureté, non dopé

n = p = ni

Conductivité des SC intrinsèques très faible augmentation de la conductivité par dopage

Son comportement électrique ne dépend que de sa structure et de l'excitation thermique

A 0 K : bande de valence pleine et bande de conduction vide les semi-conducteurs intrinsèques sont des isolants à 0K

Si T augmente : des e- passent de BV à BC

Chaque électron de la BC vient de la BV en laissant un trou

Densité d’e- = densité de trous = densité de porteurs intrinsèque

Semi-conducteurs extrinsèques

Dopage de type n

- - - -

Si Si-

As+ - - As+

Milieu diélectrique

N, P, As, Sb : 5 électrons 4 électrons sont pris dans les liaisonsLe 5ème électron gravite autour l'ion de As+

Si : 4 e- de valenceDans un cristal de Si on remplace un atome de Si par un atome pentavalent

Schématiquement :

Chaque atome d'As ajoute un niveau d'impureté à Ed en-dessous de EC (Concentration ND)

BCT = 0 K

Dopage de type n

B- - - B-

Milieu diélectrique

B, Al, Ga, In : 3 électrons

3 électrons sont pris dans les liaisonsDans la 4ème liaison il y a une place libre

Schématiquement :

Dopage de type pSi : 4 e- de valenceDans un cristal de Si on remplace un atome de Si par un atome trivalent

Chaque atome de B ajoute un niveau d'impureté à EA au-dessus de EV (Concentration NA)

T = 0 K

Dopage de type p

Si : colonne IVAs : colonne VB : colonne III

Applications des SC inorganiques : les LEDs

Eclairage à LEDs

Grands écrans extérieurs à LEDs : affichage sportif et publicitaire

Rétro-éclairage des TV

Automobile

Diode électroluminescente : LED

Croissance du marché des LEDs par applications

Consommation énergétique par technologie d’éclairage

Principe de fonctionnement d’une LED inorganique

Couleur de la lumière émise : énergie du gap

Jonction pn polarisée en direct

Substrate

Electrical contacts

Light output

Eg (eV)

2,25 vert

1,43 rouge

0,68 I.R.La lumière émise dépend du gap

GaPEg = 2,3 eV

vert (gap indirect)

Eg = 1,4 eV

rouge (gap direct)

GaAs1-xPx

1,4 ≤ Eg ≤ 2,3 eVGaN

Matériaux inorganiques utilisés à l'heure actuelle permettent de couvrir pratiquement tout le spectre visible

La plupart des semiconducteurs de type III-V miscibles entre eux en toute proportion

réalisation d'alliages ternaires, de type GaAsxP1-x ou GaxIn1-xP permettent de couvrir une gamme spectrale importante par la seule variation du paramètre x

Emission bleue difficile à obtenir

matériaux à grand gap

difficulté de maîtriser le dopage de ces matériaux

1ère diode à émission vert-bleue en 1991 avec le composé II-VI ZnSe et en 1992 avec le composé III-V GaN

Emission des DEL dans le bleu bien supérieure aux ampoules classiques

The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".

Diode bleue 1992 (Nichia Chemical - Japon)

GaN - InGaN

LED bleue : GaN

445 - 485 nm

Nakamura

Une application phare des LEDs bleues : l'éclairage

LEDs : plus efficaces, moins chères, faible consommation électrique

LEDs blanches pour l’éclairage

LED blanches : constituées d'un semi conducteur bleu sur lequel est déposé un luminophore permettant de convertir une partie du bleu émis en vert, jaune et rouge.

Structure des couches d’une LED bleue.

LED bleue recouverte du luminophore jaune.

Spectre d’émission schématisé d’une LED blanche

LEDs blanches pour l’éclairage

Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques

Energies renouvelables

Solaire10. 000 TW = techniquement disponibles20 TW = projection des besoins en 2040 (0,16% de la surface de la Terre recouverte de panneaux à 10%)

Éolienne14 TW

Biomasse5-7 TW

Géothermique1,9 TW

Hydraulique0,6-1,2 TW

http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/SEU_rpt.pdf

Energy from Sun one hour: 430 EJEnergy Consumption one year: 495 EJ Image: NASA

Lorsqu’un photon est absorbé, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite font passer un électron de la BV dans la BC du SC en laissant derrière lui un trou

création d’une paire électron-trou

Un photon est absorbé par un semi-conducteur quand son énergie est supérieure au gap, sinon il le traverse

¨ Pour créer une puissance électrique, on doit séparer les électrons et les trous. Pour cela, on utilise une jonction PN constituée par le contact entre un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n

Principe de fonctionnement

1ère cellule photovoltaïque développée par labo Bell en 1954 à base de Si avec un rendement de 6 %

Record actuel 43% obtenu par Solar Junction : cellules multijonctions (spatial)

Si monocristallin : ~ 25%

Si polycristallin (applications domestiques) : ~ 15 %

Si amorphe : ~ 11%

Couches minces (CIS, CIGS, CdTe) : ~ 19 %

Cellules à colorants (Grätzel) : 12,3 % (record nov 2011)

Cellules perovskite : 16 %

Organique : ~ 12 (record janv 2013) %

Cellules PV majoritairement à base de semi-conducteurs inorganiques (Si à 90%)

Matériau absorbant dans une cellule PV : semi-conducteur(s)

Le SiliciumLa pierre de silice (SiO2) est à la base de la production de cellules photovoltaïques.

Si : élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%). Il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de dioxyde - la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, ...) - les silicates (dans les feldspath, la kaolinite, …)

Monocristallin poly-cristallin amorphe

Solar Cell Technology

Max Lab Efficiency

Typical Cell

ThicknessSi Use Cost

Mono-crystalline Silicon (c-Si) 27.6% ~200µm High $$$

Poly-crystalline Silicon (p-Si) 20.4% ~200µm Moderate $$

Amorphous Silicon Thin Film (a-Si) 12.5% <1µm Low $

Le Silicium

Semi-conducteur dominant le marché des cellules PV : Si bonne collecte des photons du spectre solaire car Eg = 1,1 eV

Le silicium

Limite de Shockley–Queisser

W Shockley and HJ Queisser, J Appl Phys 32, pp. 510-519 (1961)

L’énergie des photons en excès est transformée en chaleur pendant la relaxation des charges

CIGS (copper-indium-gallium-selenium) CdTe

Cellules en couches minces : CIGS et CdTe

www.nanosolar.com

Cellule CIGS

R. King, Appl. Phys. Lett. 90, 183516 (2007)http://photochemistry.epfl.ch/EDEY/Wenger_Cornuz.pdf

• En général semi-conducteurs III-V• Efficacité record > 40% sous concentration solaire• 4-6 jonctions• Limite thermodynamique pour une infinité de jonctions : 85%

Cellules à multijonctions

L’électronique organique

Electronique organique

Opto-électronique Electronique

"Organique" :Flexible, grande surface,

faible coût et légèreté

OLED Cellule PV

Substrat

Electrode

SC(s) organique(s)Electrode

Substrat

SC organiquediélectrique

Les semi-conducteurs organiques

2 types de semi-conducteurs organiques

Petites molécules Polymères

CH3 CH3

BCPPTCBI

Oligomères

MEH-PPV

H13C6 C6H13

Polyfluorène

Poly(3-hexylthiophène) MDMO-PPV

Esp2 hybridation

Semi-conducteurs organiques : molécule ou polymère conjugué

C 1s2 2s2 2p2

Systèmes conjugués : basé sur la propriété du C qui peut former 3 liaisons sp2 dans le plan une liaison entre 2 carbones peut être formée par recouvrement de 2 orbitales sp2

la 4ème orbitale 2pz est perpendiculaire au plan des orbitales sp2

recouvrement latéral de 2 orbitales 2pz donne naissance aux liaisons p

HOMO bande de valence* LUMO bande de conduction

sp2 sp2

Recouvrement latéral ( p bonds) plus faible que recouvrement axial (liaisons s)

Matériaux conjugated : faible - p p* gap (HOMO-LUMO) propriétés semi-conductrices absorption et émission dans le visible

La difference d'énergie entre les orbitales liantes et antiliantes s-s* est grande, bien au delà du visible grand HOMO-LUMO gap, propriétés isolantes.

Orbitales pz forment des liaisons π, avec un gap HOMO-LUMO plus petit, induisant des propriétés semi-conductrices et une forte absorption dans le spectre visible

Gap p -p* plus faible que s-s*

Découverte des polymères « conducteurs » : 1977 reconnaissance : 2000prix Nobel de Chimie

"Dopage" à l'iode : 3 I2+ 2 e- → 2 I3-

Si "dopage" important les trous peuvent se déplacer

conduction électrique

H. Shirakawa, E.J. Louis, A.G. McDiarmid, C.K. Chiand, A.J. Heeger, Chem Com (1977) 578-580

squelette p-conjuguéalternance de simples et doubles liaisons

introduction de porteurs de charges (mobiles)+

insertion de contre-ions (fixes)

A- A- A- A-

+ + + +

SEMI-CONDUCTEUR ORGANIQUE

DOPAGE

CONDUCTEUR ORGANIQUE

Du conducteur au semi-conducteur organique

Centrale de technologie des composants organiques au labo IMS

Applications des SC organiques : les OLEDs

Affichage Eclairage

1997 2014

Samsung KN55S9C

LG EA9800

Konica Minolta 131 Lm/W

Les OLEDs pour l’affichage et l’éclairage

Car audio faceplate Pioneer, 1997 Sensotec shaver Philips1st PLED on the market

July 2002

Digital cameraKODAK Easyshare LS633 zoom "Small molecule" technology

Feb 2003

Music players MP3, MP4Sony XEL-1 200711" 3mm thick

2500 $

Mobile phone main displays

Samsung Galaxy S

Premiers produits OLEDs commerciaux

Sony's second-generation mobile gaming console : 5" touch OLED display (960x544)

Sony's Vita PSP

Nouveautés 2013-2014

Samsung 55EC9300 55" curved FHD direct-emission OLED TV~ 8000€ en 2013 - ~ 3500 $ en 2014

LG 55EM9700 is a 55" Full-HD OLED TV 100,000,000:1 contrast ratio and fast response time (1,000 times faster than LCD according to LG). The panel is only 4 mm thick and weighs just 3.5Kg

Carl Zeiss - Cinemizer OLED 3D - Lunettes 3DFournisseur OLED : MicroOLED

Amazon 644€

LG EA9800 : a 55" curved OLED TV~ 9000 € - 4800 € en 2014 (Amazon)

Ecran enroulableSony 2010, 4,1" Samsung 2011 : 19" transparent

AMOLED 'window'

Quelques prototypes

Samsung 0.05mm 'flapping' 4" AMOLED, 2008480x272, contraste 100,000:1, 200cd/m2 luminance

Ecrans transparentsEcrans flexibles

Août 2013 - Panasonic 114 lm/W OLED panel

Panasonic developed a white OLED lighting panel : 114 lm/W (1 cm2). Panasonic also developed a larger panel (25 cm2) with 110 lm/W. Long lifetime - over 100,000 hours (LT50) and a brightness of 1,000 cd/m2. The panel thickness was less than 2 mm.

OLEDs pour l’éclairage : records 2013 - 2014

August 2014Konica Minolta said they developed the world's most efficient OLED lighting panel - at 131 lm/W.

Cathode : déposée par évaporation sous vide

Couche organique déposée par : - “voie humide” (spin-coating, ink-jet …)- “voie sèche” (évaporation sous vide)

Anode (ITO) : déposée par pulvérisation cathodique

Substrat(verre, polymère,

métal)

Applications des SC organiques : les OLEDsE

Vapplied = 0

anode cathode

Vapplied > Vturn-on

qVbitheo = Fanode – Fcathode

Vacuum level

Cathode

Vapplied = Vbi

A.E. : Affinité électronique P.I. : Potentiel d'ionisation

Fa : travail de sortie de l'anodeFc : travail de sortie de la cathode

Elaboration d’hétérostructures afin d’améliorer :

• l’injection de charges (HIL, EIL)• le transport de charges (HTL, ETL)• équilibre électrons-trous (HBL, EBL)

EMLHTL

HBL ETL

Amélioration des performances : utilisation d'hétérostructures

• Dopage des couches HTL et ETL• « Dopage » de la couche émettrice par des matériaux phosphorescents ou

fluorescents

Pfeiffer at al., Adv Mat., 14 (2002) 1633

EBLEL dopé Ir(PPz)3

HBL ETL

Cathode

EML/dopedHTL

P-doped

N-doped

Structures PIN

Emetteurs RVB Emetteur bleu+ convertisseur de couleur

Emetteur blanc+ filtres

Efficacité

Positionnement des masquesVieillissement différentiel

Dépôt d’une monocouche Dépôt d’une monocouchePas de vieillissement différentiel

Luminance réduite par les convertisseurs

Luminance réduite par les filtres

Affichage : 3 pixels R V B

Génération de couleurs

Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques

Cellules solaires organiques sont légères et imprimables

World record in organic photovoltaics : 12 %

www.heliatek.com

Photovoltaïque organique récent années 1990

Fait suite au développement spectaculaire des diodes électroluminescentes organiques (OLED)

→ Technologie d’avenir pour les écrans plats

Même technologie pour OLEDs et les cellules photovoltaïques organiques

Applications :

Nouvelles applications où la concurrence du Si n'existe pas :- marché du jetable (court terme) - plastiques et tissus souples

Technologie polymère production de cellules de grande surface, en rouleau, par des méthode de type jet d’encre ou sérigraphie

Production d'énergie (long terme)

• Cellules potentiellement flexibles

• Cellules potentiellement semi-transparentes

• Technologie polymère : accès aux cellules grande surface

• Facilité d’intégration

• Coût nettement réduit

• Avantages écologique et économique

Avantages du photovoltaïque organique

Substrat : rigide (verre) ou flexible (polymère, métal)

Electrode transparente : généralement ITO (oxyde d’Indium et d’Etain) conducteur et transparent

Couche active (100 nm)

Electrode métallique : déposée par évaporation sous vide (Al, LiF+Al, …)

• « petites molécules » déposées par évaporation sous vide

• polymères déposés par voie humide (spin-coating, doctor-blading, jet d’encre …)

100 nm

Substrat

CathodeMatériau(x) organique(s)

4 Transport et collection des charges vers les électrodes

AnodeCa

Donneur Accepteur

Absorption des photons - Génération des excitons

Diffusion des excitons vers l'interface donneur-accepteur

Dissociation des excitons à l'interface donneur-accepteur

Pour certaines applications durée de vie de la cellule = durée de vie du produit

ex : packaging, étiquetage, textile

• Rapport efficacité – coût ?

• Cellules organiques → faible coût, faible efficacité → grande surface

• Faible rendement : 12 % (record 16 janv 2013)

• Faible durée de vie < 10 000 h

Etat des lieux du photovoltaïque organique

Merci de votre attention

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