République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
________
UNIVERSITÉ D’ORAN
FACULTÉ DES SCIENCES DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
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M É M O I R E
Présenté par Madame
LARADJI-TOUMOUH Nawal
Pour obtenir
LE DIPLÔME DE MAGISTER
Spécialité : PHYSIQUE
Option : Ecole Doctorale Nanoscience, Nanotechnologie, Nanométrologie
_____
Intitulé :
Soutenu le 10 /10 / 2012 devant le jury composé de MM. : K. DRISS-KHODJA Professeur, Université d’Oran, Président
A. KADRI, Professeur, Université d’Oran, Rapporteur
B. KOUSKOUSSA M.C.A., Université d’Oran, Examinateur
K. ZITOUNI, Professeur, Université d’Oran, Examinateur
Etude de Photopiles Solaires nanostructurées à base de Nitrures III-V : GaN, AlN, InN
Remerciements
Ce travail a été réalisé sous la direction de Monsieur le Professeur A. Kadri,
au département de physique à l’université d’Oran, Es-Sénia, dans le cadre de la
Post-graduation dans l’Ecole Doctorale Nanoscience Nanotechnologie
Nanométrologie au Laboratoire d’Étude des Matériaux Optoélectronique et
Polymères (LEMOP).
Mes vifs remerciements vont aux Professeurs A. Kadri et K. Zitouni, pour leurs
nombreux conseils et encouragements prodigués à l’aboutissement de ce
mémoire.
Je tiens à leurs exprimer ma profonde gratitude pour leurs efforts et leurs
patience à mon égard.
Tous mes remerciements s’adressent aussi aux membres de mon jury :
Monsieur le Professeur K.DRISS-KHODJA, à l’Université d’Oran qui m’a fait
l’honneur de présider le jury ;
Monsieur le professeur A.KADRI de l’Université d’Oran qui m’a fait l’honneur
d’être rapporteur dans ce travail ;
Madame la Professeure K.ZITOUNI de l’université d’Oran et Monsieur
B.KOUSKOUSSA maitre de conférence de l’Université d’Oran d’avoir fait
partie de mon jury.
Je remercie également toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin
à ce mémoire, tout particulièrement ma famille pour leur soutien et leurs
encouragements, ainsi que tous mes amis et collègues du laboratoire LEMOP.
TABLE DES MATIERES
Etude de photopiles solaires nanostructures à base de
Nitrures III-V GaN, AlN, InN
INTRODUCTION…………………………………………………...
1
CHAPITRE I : La conversion photovoltaïque………………………...
3
I.1. Introduction……………………………………………………..
4
I.2. La cellule photovoltaïque……………………………………….
5
I.3. Les matériaux…………………………………………………...
8
I.3.1. Le Silicium Cristallin………………………………….. 9
I.3.2. Le Silicium poly-Cristallin…………………………….. 9
I.3.3. Le Silicium monocristallin…………………………….. 9
I.3.4. Le Silicium amorphe…………………………………... 9
I.3.5. Le Silicium en ruban…………………………………... 10
I.3.6. Les autres semi-conducteurs…………………………... 10
I.3.7. Les nanomatériaux…………………………………….. 10
I.3.8. Les matériaux organiques………………………………
12
I.4. Les différentes structures des cellules photovoltaïques………...
12
I.4.1. Les cellules à base de silicium cristallin………………. 12
I.4.2. Les cellules photovoltaïques en couches minces……… 12
I.4.3. Les hétérostructures……………………………………. 12
I.4.4. Les cellules multijonctions…………………………….. 14
I.4.5. Les cellules photovoltaïques organiques………………. 15
I.4.6. Les cellules hybrides…………………………………... 15
I.4.7. Les cellules nanostructurées…………………………… 16
I.4.7.a. Puits quantique (2D)…………………………... 17
I.4.7.b. Fils quantique (1D)…………………………… 17
I.4.7.c. Boites quantiques (0D)………………………...
18
I.5. Conclusion……………………………………………………… 19
I.6. Bibliographie…………………………………………………… 21
CHAPITRE II : Etude des matériaux et hétérostructure…………….
23
II.1. Introduction…………………………………………………….
24
II.2. Propriétés des composés binaires : GaN, AlN, InN……………
24
II.2.1 Propriétés structurales…………………………………. 25
II.2.2 Polarisation piézoélectrique et spontanée……………... 26
II.2.3 Propriétés de bandes…………………………………... 26
II.2.4 Propriétés particulières du GaN……………………….. 30
II.2.5 Propriétés particulières de l’AlN et l’InN…………....... 31
II.3. Propriétés des alliages ternairesInxGa1-xN, AlxGa1-xN,Al1-xInxN
31
II.3.1 L’InxGa1-xN…………………………………………………... 31
II.3.2 L’AlxGa1-xN………………………………………………….. 34
II.3.3 L’InxAl1-xN……………………………………………………
37
II.4. Propriétés de l’ hétérostructure InxGa1-xN / GaN………………
39
II.4.1. Calcul des Band-offsets dans l’InxGa1-xN / GaN……... 40
II.4.2. L’affinité électronique………………………………... 40
II.4.3. La contrainte de l’hétérostructure InxGa1-xN / GaN…... 41
II.5. Conclusion……………………………………………………..
42
II.6. Bibliographie…………………………………………………..
43
CHAPITRE III : Photopile solaire nanostructurée
à base InxGa1-xN/GaN……………………………...
49
III.1. Introduction……………………………………………………
50
III.2. La structure de la photopile solaire InxGa1-xN/ GaN…………
50
III.2.1. La structure quantifiée InxGa1-xN/ GaN …………… 53
III.2.2. Le puits et la barrière………………………………. 53
III.2.3. La structure Tandem ………………………………… 57
III.3. Propriétés de la photopile solaire à base InxGa1-xN/ GaN……
60
III.3.1. Paramètres caractéristiques de la photopile solaire à base InxGa1-xN/ GaN ……………………………………….
60
III.3.2. Etude de la photopile solaire à jonction PIN à multi-puits quantiques InxGa1xN/GaN………………………… .
63
III.4. Conclusion…………………………………………………….
69
III.5. Bibliographie………………………………………………….
70
CHAPITRE IV : Applications des cellules solaires à base d’InGaN...
71
IV.1. Introduction…………………………………………………...
72
IV.2. Avantages et inconvénients de la technologie photovoltaïque et de la photopile InGaN……………………………………………
72
IV.3. Différentes applications……………………………………….
74
IV.3.1. Applications militaires………………………………. 74
IV.3.2. Applications spatiales……………………………….. 75
IV.3.3. Applications en milieux hostiles…………………….. 77
IV.3.3.Les concentrateurs…………………………………… 78
IV.4. Comparaison avec les cellules AlGaAs/GaAs………………..
80
IV.5. Conclusion……………………………………………………
80
IV.6. Bibliographie…………………………………………………
82
CONCLUSION……………………………………………………… 83
Introduction 1
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
Introduction
Dans ce travail, nous nous intéressons à la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire et
nous étudions la faisabilité de photopiles solaires nano-structurées conçues à base de nitrures
III-V: GaN, AlN, InN. Ces photopiles suscitent actuellement un très grand intérêt, compte
tenu de leurs larges domaines d’applications, spécialement le spatial, le militaire et en milieux
hostiles.
Ces matériaux nitrures III-V sont très intéressants car ils présentent toute une série de
propriétés. Ils peuvent couvrir tout le spectre solaire allant de l’infrarouge qui correspond au
gap de InN (Eg=0.7eV) jusqu’à l’ultraviolet qui correspond au gap de GaN (Eg=3.4eV). Ils
sont caractérisés également par:
- un fort coefficient d’absorption,
- une grande mobilité et une grande durée de vie des porteurs,
- une bonne résistance mécanique et thermique,
- une bonne tenue aux forts champs électriques, aux radiations électromagnétiques, aux
rayonnements cosmiques et aux particules élémentaires de haute énergie.
Cependant ces matériaux présentent des inconvénients :
- la contrainte de déformation due au désaccord de maille,
- les effets de polarisation dus à leur structure Würtzite.
- le problème de l’incorporation de l’indium et la séparation de phase qui limite leur
fabrication uniquement au domaine des faibles compositions en Indium x< 20 % .
Dans ce travail, nous nous proposons d’optimiser ces paramètres de manière à tirer profit des
avantages de ces matériaux tout en évitant leurs inconvénients. L’objectif étant de concevoir
des photopiles solaires de haut rendement à base de l’hétérostructure InxGa1-xN /GaN.
Pour nous affranchir des inconvénients et augmenter le rendement, nous maintenons la
composition en Indium très faible typiquement < 20 %. Ceci permet de réduire à la fois la
Introduction 2
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
contrainte de déformation, la composante piézoélectrique de la polarisation et les problèmes
de solubilité de l’Indium.
Pour affiner encore plus cette optimisation, nous avons étudié des hétérostructures à multi-
puits quantiques à composition d’indium graduelle et connectées en tandem.
Cette variation graduelle de la composition d’Indium est choisie de telle manière à ce que la
contrainte soit non seulement maintenue inférieure à une certaine valeur critique (< 2%), mais
elle est compensée par une alternance de signes positifs (détente) et négatifs (compression) de
la contrainte. Parallèlement à la compensation de contrainte, cette technique permet d’obtenir
une compensation de la composante piézoélectrique de la polarisation, d’où il résulté une
alternance du signe (+ ou -) du champ électrique interne.
De plus, la structure tandem permet d’augmenter le rendement par l’absorption multiple sur
des fenêtres en cascade.
Ce mémoire est composé de quatre chapitres.
Le premier chapitre décrit le principe de la conversion photovoltaïque et la présentation des
différents matériaux utilisés pour la conversion photovoltaïque et les différentes structures et
technologies des photopiles solaires.
Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des propriétés des différents matériaux binaire et
ternaires et leurs caractéristiques (structure cristalline, paramètre de maille, énergie de bande
interdite) ainsi que l’hétérostructure InxGa1-xN/GaN.
Le choix de l’hétérostructure utilisé dans la photopile solaire est porté sur les deux matériaux,
le binaire le GaN et le ternaire InGaN, ils sont caractérisés par une large bande interdite de
l’ordre de 3.4 eV pour le GaN et le gap de l’InxGa1-xN ajustable par la composition de
l’alliage x du gap de l’InN (Eg=0.7eV) au gap du GaN (Eg=3.4eV).
Nous abordons ensuite les propriétés de l’hétérostructure InxGa1-xN /GaN à base de puits
quantique dans la gamme de composition en Indium < 20%, et nous traitons les effets de la
polarisation.
Le troisième chapitre est consacré à la photopile solaire à base de l’hétérostructure à multi-
puits quantiques InxGa1-xN/GaN formant un Tandem avec une variation du gap en fonction
Introduction 3
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
de la composition x. Pour cela nous présentons la structure adéquate de notre photopile solaire
et nous optimisons les paramètres fondamentaux de la photopile solaire telle que la
caractéristique I (V) et le rendement.
Enfin le quatrième chapitre est consacré aux différentes applications des photopiles solaires
qui sont principalement : les applications spatiales, militaires et les concentrateurs ainsi que
pour l’éclairage dans les régions désertes.
Chapitre I La conversion photovoltaïque 3
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
Chapitre I
La conversion photovoltaïque
I.1. Introduction
I.2. La cellule photovoltaïque I.3. Les matériaux
I.3.1. Le Silicium Cristallin I.3.2. Le Silicium poly-Cristallin I.3.3. Le Silicium monocristallin I.3.4. Le Silicium amorphe I.3.5. Le Silicium en ruban I.3.6. Les autres semi-conducteurs I.3.7. Les nanomatériaux I.3.8. Les matériaux organiques
I.4. Les différentes structures des cellules photovoltaïques
I.4.1. Les cellules à base de silicium cristallin I.4.2. Les cellules photovoltaïques en couches minces I.4.3. Les hétérostructures I.4.4. Les cellules multijonctions I.4.5. Les cellules photovoltaïques organiques I.4.6. Les cellules hybrides
I.4.7. Les cellules nanostructurées I.4.7.a. Puits quantique (2D) I.4.7.b. Fils quantique (1D) I.4.7.c. Boites quantiques (0D)
I.5. Conclusion
I.6. Bibliographie
Chapitre I La conversion photovoltaïque 4
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
I.1. Introduction :
Dans ce chapitre, nous allons introduire notre sujet de mémoire de magister qui est intitulé
Etude des photopiles solaires nano-structurées à base de nitrures III-V GaN, AlN, InN.
L’objectif est de montrer l’intérêt d’utiliser les nitrures III-V dans la conversion
photovoltaïque solaire. L’idée étant de cibler des applications particulières tout en augmentant
le rendement et en diminuant le coût.
Pour cela nous allons situer notre sujet et le placer par rapport à l’ensemble des techniques et
technologies de la conversion photovoltaïque.
Nous commençons par définir le principe sur lequel est basée cette conversion photovoltaïque
ainsi que la cellule photovoltaïque de base. Nous définissons en particulier les principaux
paramètres dont dépendent deux facteurs majeurs qui sont le rendement et le coût.
Nous continuons ensuite par énumérer les principales techniques et filières technologiques de
fabrication des cellules photovoltaïques et ce durant les soixante dernières années.
Nous considérons d’abord la filière la plus importante et la plus répandue celle du Silicium
avec les différentes variantes technologiques de ce matériau : Silicium monocristallin Poly-
cristallin, amorphes en couches minces, en ruban, nanostructuré,….
Par la suite on a utilisé différents semi-conducteurs dans différentes structures pour améliorer
le rendement. Parmi ces semi-conducteurs ceux qui ont un gap direct puisqu’ils absorbent
mieux la lumière comme les semi-conducteurs III-V tel que le GaAs, GaN, les II-VI tel que
le Tellure de Cadmium CdTe et le Séléniure de Gallium Indium Cuivre (CIGS) et les
matériaux organique.
Nous démontrons l’utilité d’utiliser les matériaux nitrures III-V, GaN, AlN, InN en
multi-puits quantique en Tandem pour la conception de notre photopile solaire.
Chapitre I La conversion photovoltaïque 5
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I.2. La cellule photovoltaïque:
Une cellule photovoltaïque est un composant optoélectronique exposé au rayonnement
solaire (photons) produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
Ce rayonnement est constitué de photons de longueur d’onde qui s’étend de l’ultraviolet
(0,2 m) à l’infrarouge lointain (3 ) comme le montre la figure (I-1) :
Ce photon à une énergie :
E = E (eV) =
h : la constante de Planck (6,62. ) c : la vitesse de la lumière (3.108 m/s)
: la longueur d’onde (en ) La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque est illustrée dans la figure (I-2).
Figure I-2: Représentation de la structure d’une cellule
photovoltaïque simple.
Source solaire
Couche mince absorbante
Contact métallique
Contact métallique
Semi-conducteur type n
Semi-conducteur type p
Figure I-1 Rayonnement solaire incident [4].
(I-1)
Chapitre I La conversion photovoltaïque 6
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
Cette cellule photovoltaïque est composée d’une couche mince absorbante généralement
del’ITO (oxyde transparent isolant), d’un semi-conducteur de type n en contact avec
un semi-conducteur de type p. Chacune des régions est reliée à un contact métallique pour
récupérer les porteurs de charge.
Son fonctionnement est basé sur les trois phénomènes physiques :
Ø l’absorption de la lumière par le matériau Ø le transfert d’énergie des photons aux électrons Ø la collecte des électrons (charges électriques)
Les photons incidents doivent avoir une énergie supérieure à l’énergie de gap pour être
absorbés et transférer leurs énergies aux électrons pour créer des paires électrons-trous.
Une jonction p-n va séparer les paires électrons –trous et éviter la recombinaison.
Ce qui génère une circulation de trous dans un sens et d’électrons dans l’autre sens ce qui crée
un courant électrique.
Dans la jonction p-n les photons créent des porteurs dans chacune des zones (n, p et la zone
de charge d’espace ZCE).
Dans les zones n et p le champ interne va les séparer ce qui donne le courant de diffusion ID,
et dans la zone de charge d’espace, ils vont crée le courant de génération IG. Le courant total
est la somme des deux courants : de génération IG et de diffusion ID.
La structure de la cellule photovoltaïque éclairée et son diagramme de bande sont illustré dans
la figure (I-3).
EF
Ev
Ec
Diffusion de trous
Diffusion des électrons
Figure I-3:
(a) Structure d’une cellule photovoltaïque éclairée [1]
(b) Diagramme des bandes d’une cellule photovoltaïque éclairée [1]
(a) (b)
Contact face
arrière
Contact
face
avant
Sc (n) ZCE Sc (p)
P N
+
+
+
+
_ _
_ _
_
+
Champ électrique
Zone
neutre n
Zone
neutre p
Courant de
génération
Chapitre I La conversion photovoltaïque 7
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Le courant délivré par une cellule photovoltaïque éclairée s’écrit [2]. :
I(V) = -
: la densité de courant photogénéré
: la densité de courant d’obscurité
Le courant d’obscurité est donné par [2]. :
=
: le courant de saturation de la diode.
q : charge de l’électron (1,602 10-19Cb ),
: constante de Boltzman (1,38 ),
T : température
donc en multipliant par (-1) on obtient :
I(V) =
La cellule photovoltaïque est définie par sa caractéristique courant-tension.
La caractéristique d’une photopile dans l’obscurité est identique à celle d’une diode.
La caractéristique de cette photopile éclairée est donnée dans la figure (I-4).
(I-2)
(I-4)
(I-3)
Figure I-4 : Caractéristique courant-tension d’une cellule
photovoltaïque [2].
1.2
V
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8 -120
-80
0
-40
40
80
120
I (mA)
Cellule de Si
= 100 mA
T = 300 K
I
V (Volts)
Chapitre I La conversion photovoltaïque 8
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
Cette caractéristique permet de calculer la puissance de la cellule et son rendement de
conversion.
La figure (I-5) montre la puissance maximale sur la caractéristique courant-tension de la
cellule.
Le produit I*V correspond à la puissance de la cellule. La puissance est maximale au point
( , ).
Le facteur de forme (FF) de la cellule est défini par :
FF =
Le rendement d’une cellule est défini par :
=
où est défini comme le produit de .
I.3. Matériaux :
On utilise différents matériaux dans les cellules solaires pour obtenir des rendements
différents, parmi ces matériaux nous avons le silicium cristallin, le silicium polycristallin, le
silicium amorphe et les semi-conducteurs binaires, ternaires et quaternaires et les matériaux
organiques.
I
0 V
Figure I-5: Puissance maximale sur une caractéristique courant- tension [2].
Chapitre I La conversion photovoltaïque 9
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Figure I-7: Image de cellule solaire à base de Silicium monocristallin [4].
Figure I-6: Image de cellule solaire à base de Silicium polycristallin [4].
Figure I-8: Image de cellule solaire à base de Silicium amorphe
(module rigide et module souple ) [5].
I.3.1. Le Silicium Cristallin : Le silicium cristallin est très utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Les
cellules de silicium cristallin se divisent en deux, celles à partir de silicium monocristallin et
celles à partir de silicium poly-cristallin.
I.3.2. Silicium poly-cristallin :
Cette technologie est la plus utilisée mais le rendement est faible sous faible éclairage. Le
rendement du silicium poly-cristallin est de10 à 15 %[3].
I.3.3. Silicium monocristallin :
Le a un bon rendement entre 15% à 20% mais les couts de fabrication sont élevés [3].
I.3.4 Silicium amorphe :
Le silicium amorphe est stable, son rendement est considérable même sous faible éclairement.
Les cellules à base de silicium amorphes sont utilisées pour alimenter des montres des
calculatrices. Elles ont un rendement faible de 5% à 10%[3].
Chapitre I La conversion photovoltaïque 10
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I.3.5. Silicium en ruban :
Le silicium en ruban est obtenu à partir du silicium fondu cristallisé sur un ruban souple.
Ce qui permet de diminuer la quantité de silicium et éviter les pertes du à la découpe.
I.3.6. Les autres semi-conducteurs :
Ils absorbent mieux la lumière, présentent des énergies de gap direct, parmi ces matériaux on
a les semi-conducteurs III-V comme l’Arsenic de Gallium GaAs, GaN et les II-VI tel que
Tellurure de Cadmium CdTe. Nous avons aussi les oxydes, comme ZnO, TiO2, et l’alliage
ternaire AlGaAs. Les cellules solaires à base de ces matériaux ont un rendement de
conversion qui varie entre 16-32% [6].
I.3.7. Les nanomatériaux :
Ces matériaux sont souples et à faible cout.
Parmi ces matériaux, on a les nanotubes de carbone (CNT), le Carbone 60 ( ), le Graphène,
les nanorods, les nanowires.
Ø Les nanotubes de carbone :
Les nanotubes de carbone sont des tubes. Ils sont résistants, durs (100 fois plus que l’acier),
léger (deux fois plus léger que l’aluminium), ont une mobilité et une conductivité thermique et
électrique très grande.
Figure I-9: Image de nanotube de carbone [7]
Chapitre I La conversion photovoltaïque 11
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique Université d’Oran
Ø Carbone 60 :
Le carbone 60 ou le fullerène est une molécule sphérique. Elle est composée de 60 atomes de
carbone formant 12 pentagones et 20 hexagonales. Il a la structure d’un ballon de football. Il
est stable, et peu couteux.
Ø Le Graphène :
Le graphène est une feuille composée d’atomes de carbone en forme de nid d’abeille
(hexagone). Il est 200 fois plus résistant que l’acier et 6 fois plus léger.
Ø Les nanorods (nano tiges) :
Les nanorods ont une largeur de 1 à 100 nm.
Ø Les nanowires (nanofils):
Les nanowires ont un diamètre de quelques dizaines de nanomètres.
Il existe plusieurs types de nanowires, métalliques comme le Pt, Au, semi-conducteurs
comme le Si, GaN, et isolant par exemple le SiO2, TiO2.
Figure I-10: Image de carbone [7].
Figure I-11: Image de Graphène [8].
Figure I-12: Image de nanorods [9].
Chapitre I La conversion photovoltaïque 12
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I.3.8. Les matériaux organiques : On utilise les polymères ou des colorants comme semiconducteur organique. Ils sont non
polluants et légers.
I.4. Les différentes structures des cellules photovoltaïques:
On a utilisé différents matériaux et structures pour améliorer les performances des cellules
photovoltaïques et augmenter le rendement.
On distingue plusieurs types de cellules solaires selon leurs structures.
I.4.1. Les cellules à base de silicium cristallin :
Les premiers panneaux photovoltaïques ont été fabriqués avec du silicium cristallin. Ces
cellules utilisent des jonctions p-n.
I.4.2. Les cellules photovoltaïques en couches minces :
Ces cellules sont composées d’une couche mince de semi-conducteur entre 10 μm à 100-200
μm déposé sur un substrat tel que le verre, plastique, céramique, métal ou graphite.
Les couches fine de silicium Si, d’Arsenic de Galium GaAs, de Tellure de Cadmium CdTe et
de CIGS sont déposés sur le substrat par épitaxie en phase vapeur.
L’inconvénient des cellules CIGS est que le Sélénium, l’Indium et le Gallium sont des
matériaux rares et ils sont chers. Donc les couts de fabrication sont élevés. L'avantage des
cellules à base de Tellurure de Cadmium CdTe est la forte absorption du Tellure de Cadmium
mais le Cadmium est toxique s’il est libéré.
Les cellules à base de ces matériaux ont un rendement de conversion entre 16% et 32% [6].
L’avantage des cellules en couche fine c’est qu’on utilise moins de matériau donc elles sont
moins couteuses.
I.4.3. Les hétérostructures :
Les hétérostructures sont formées par des matériaux différents soit un métal-isolant-semi-
conducteur (MIS), métal-semi-conducteur (Schottky), semiconducteur1-semiconducteur 2
déposés l’un sur l’autre.
Chapitre I La conversion photovoltaïque 13
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Couche métallique
Couche antireflet
Contact arrière
Figure I-13: Cellule solaire à structure MIS
Contact avant
Semiconducteur Couche isolante
Couche métallique
Figure I-14: Cellule solaire à hétérojonction de type Schottky
Couche antireflet
Contact arrière
Contact avant
Semiconducteur
Ø Structure MIS : La structure métal-isolant-semi-conducteur est constituée de trois couches : le substrat
semi-conducteur sur lequel on a déposé une couche isolante sur laquelle on a déposé une
électrode métallique. L’isolant est le SiO2 c’est un diélectrique transparent et
antiréfléchissant. La cellule solaire à structure MIS est représentée dans la figure (I-13).
Ø La structure Schottky : La structure Schottky est un contact entre un métal est un semi-conducteur. La cellule solaire
à structure Schottky est représentée dans la figure (I-14).
Ø Semiconducteur1-semiconducteur2 :
La structure semi-conducteur 1- semi-conducteur 2 est appelée cellule solaire photovoltaïque
à hétérojonction. C’est une jonction formée de deux semi-conducteurs de matériaux différents
et de gap différents. (gap du semi-conducteur 1) et (gap du semiconducteur 2).
Le semi-conducteur 1 est de type n est déposé sur le semi-conducteur 2 de type p.
Chapitre I La conversion photovoltaïque 14
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I.4.4. Les cellules multijonctions :
Les cellules multijonctions sont appelées cellule de troisième génération. C’est plusieurs
couches de matériaux déposées l’une sur l’autre. Les matériaux utilisés sont les semi-
conducteurs III- V. Elles se composent de plusieurs jonctions p-n.
On améliore le rendement par rapport aux cellules simples ce qui permet d’atteindre des
rendements de plus de 40 % [10]. Elles sont utilisées pour des applications spatiales. Parmi
les structures multi jonctions on a la cellule Tandem.
Les cellules Tandem c’est l’empilement de plusieurs cellules l’une sur l’autre avec des gaps
décroissant. Ce sont des cellules qui utilisent des semi conducteurs comme le GaAs et le GaN.
Dans notre travail, nous allons utiliser cette structure avec les matériaux GaN, InN puisqu’elle
permet d’améliorer le rendement par rapport aux autres structures.
En utilisant par exemple trois matériaux de gap décroissants = 1.75 ev , = 1.18 ev et
= 0.75 ev, il a été possible d’atteindre un rendement de 56% sous une concentration de
1000 soleils [2] comme le montre la figure I-15.
Figure I-15 : Méthode graphique pour déterminer le rendement
des cellules photovoltaïque Tandem [2].
Chapitre I La conversion photovoltaïque 15
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Anode en ITO (oxyde d’étain dopé Indium)
Cathode métallique en Al
Figure I-16: Cellule solaire organique
Substrat en verre
Couche active
Figure I-17: Image d’une cellule Gräetzel [12].
I.4.5. Les cellules photovoltaïques organiques :
Les cellules photovoltaïques organiques utilisent des matériaux organique, tel que les
polymères. Leurs rendement est de 5 % [11].
La structure de la cellule organique est démontrée dans la figure (I-16).
La couche active est composée de deux matériaux l’un donneur d’électron comme une chaine
de polymère et l’autre accepteur d’électron comme le fullerène. Quand on éclaire la cellule on
a un transfert d’électrons du polymère à la molécule de fullerène.
L’avantage de ces cellules c’est qu’on peut réaliser des grandes surfaces, elles sont légères
flexible et leur cout de fabrication est faible.
I.4.6. Les cellules hybrides:
C’est une nouvelle génération de cellules solaire, elles sont moins chères. Elles utilisent des
matériaux organiques et inorganiques à base de semi-conducteur nanostructuré.
Ces cellules sont mobiles et malléables. Parmi ces cellules, nous avons les cellules Gräetzel.
Ce sont des cellules nanocristallines à colorant. Elles sont composées d’un électrolyte, d’un
colorant et d’un oxyde semi conducteur inorganique.
Chapitre I La conversion photovoltaïque 16
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I.4.7. Les cellules nano-structurées:
Les cellules nanostructurée permettent de réduit la dimension des semi conducteurs et on a
un confinement quantique. C'est-à-dire des puits puis des fils et des boites quantiques ce qui
augmente l’absorption des photons dans la cellule solaire et permet d’augmenter le
rendement. Le système confiné améliore la mobilité des électrons et augmente les porteurs.
Les densités d’états quantiques en fonction du vecteur d’onde sont montrées dans la figure
(I-18). Les figures c et d montrent qu’on a des états d’énergie discret.
Une hétérostructure à puits quantique est formée par une succession de matériaux différents.
Parmi les structures quantiques on a :
I.4.7.a. Puits quantique (2D) :
Dans une hétérostructure si l’épaisseur de la couche du semiconducteur est inférieure à la
longueur d’onde de De Broglie alors le confinement est quantique. Il existe trois types
d’hétérostructures à puits quantique:
Ø Hétérostructures Type I :
Les électrons et les trous sont confinés dans le même semiconducteur c'est-à-dire que le bas
de la bande de conduction et le haut de la bande de valence sont situés dans le même
semiconducteur comme le montre la figure a dans ce cas on a des transitions directes.
L’hétérostructure de type I est utilisée pour la fabrication des cellules solaires.
Figure I-18 : Densité d’état dans différentes configurations de confinement III .
z
E E E
N (E)
Puits quantique 2D
N (E)
Fil quantique 1D
N (E)
Matériau massif 3D
N (E)
x
y
Boîte quantique 0D
E
Chapitre I La conversion photovoltaïque 17
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Ø Hétérostructures Type II :
Les électrons sont dans le semiconducteur SC 1 et les trous dans le semiconducteur SC2
comme le montre la figure b, les transitions sont indirectes donc le rendement est faible pour
ces raisons les hétérostructures de type II sont à éviter pour fabriquer des cellules solaires.
Ø Hétérostructures Type III :
L’hétérostructure type III est un cas particulier du type II, le confinement des électrons et des
trous se situent dans les deux semiconducteurs différents.
Mais la bande de conduction du semiconducteur SC1 se chevauche avec la bande de
conduction du semiconducteur SC2 comme le montre la figure c.
Dans le cas des photopiles solaires on utilise des hétérostructures de type I puisque la
transition est directe.
On distingue plusieurs structures de puits quantiques, le simple puits quantiques, le double
puits quantiques, le multi-puits quantiques et le super-réseau.
Ø Simple puits quantique:
C’est deux semi-conducteurs de largeur de gap différente et comme le montre la
figure (I-19-a). On a une levée de dégénérescence des trous lourds (HH) et des trous légers
(LH).
Ø Double puits quantiques:
Dans ce cas on a deux simples puits quantiques comme on peut le voir dans la figure (I-20).
Figure I-19 : Différents types d’hétérostructures à Puits Quantique
(a)Hétérostructure de Type I- (b) Hétérostructure de Type II- (c) Hétérostructure de Type III
SC2 SC2 SC2 SC1 SC1 BC
BV (a) (b) (c)
HH1
BC
HH1 HH1
SC2 BC
BV
SC2 SC2
BV
SC1
Chapitre I La conversion photovoltaïque 18
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- Si Lb > λ de Broglie les deux puits sont découplés et donc isolés l’un de l’autre.
- Si Lb < λ de Broglie, les deux puits sont couplés.
Ø Multi-puits quantiques (MPQ) :
Les structures multi-puits sont constituées d’une série de couches d’un semiconducteur SC1
et d’un semiconducteur SC2. On a plusieurs puits, le diagramme énergétique est représenté
dans la figure (I-21).
SC1 SC2 SC2 SC2 SC1
BV
SC1
BC
SC2 SC2 SC1 SC1
SC1 SC1
Figure I-21 : Hétérostructure à Multi-Puits Quantiques
SC2
Figure I-20: Hétérostructures à Double Puits Quantiques de type I
(a) 2 puits découplés Lb>λDB (b)- 2 puits couplés Lb<λDB
SC2 SC2 SC2 SC2
BV
BC SC2
BC
Lb>λDB
(a)Puits découplés
BV
LP LP
Lb
HH LH LH
HH
SC1 SC1
Lb<λDB
(b)Puits couplés
LP LP Lb
LH HH HH
LH
SC1 SC1
Chapitre I La conversion photovoltaïque 19
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Ø Super-réseaux :
Un super-réseau (Figure I-22) est une hétérostructure à plusieurs puits quantiques.
I.4.7.b. Fils quantique (1D) :
Les fils quantique sont des matériaux à une dimension telle que les nanowires, nanobelts et
nanorods.
I.4.7.c. Boites quantiques (BQ) :
Les boites quantiques sont des matériaux à zéro dimension. Ils sont fabriqués comme
matrices. En utilisant des boites quantiques, on améliore le confinement des porteurs.
D’après cette étude, on conclut que pour augmenter le rendement des photopiles solaires,
nous allons utiliser une structure à multi-puits quantiques formant un tandem.
I.5. Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons expliqué le principe de la conversion photovoltaïque, et nous
avons classé les cellules solaires photovoltaïques, en cinq générations, selon les matériaux
utilisés et la structure.
La première génération des cellules solaires, utilise le silicium cristallin. Elle est utilisée dans
les applications terrestres, et permet un rendement de conversion de 15 à 20%.
L
Figure I-22 : Structure à Super-réseaux
BV
SC2 SC1 SC2 SC1 SC1 SC1 SC1 SC2 SC2 SC2 SC2
Lp Lb
BC
Chapitre I La conversion photovoltaïque 20
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La deuxième génération utilise des couches minces de semi-conducteurs, tels que le silicium
amorphe, le Tellurure de Cadmium, Cuivre Indium Gallium. Le rendement des cellules
solaires à couches minces est inférieur de 5% à 10%, mais les coûts de fabrication sont
faibles.
La troisième génération des cellules photovoltaïques sont les cellules multijonctions Tandem
qui utilisent plusieurs semi-conducteurs à gap décroissant. Leur rendement est de 40 % .
La quatrième génération de cellules photovoltaïques est les cellules organiques, elle inclut les
cellules solaires Gräetzel qui utilisent un colorant. Elles utilisent des semi-conducteurs
organique le rendement de ces cellules est de 5%.
La dernière génération de cellules photovoltaïques est les cellules hybrides. Elles utilisent
des matériaux organique et inorganique, ces cellules sont mobiles et légère.
Nous avons comparé les différentes technologies et nous avons vu que la technologie III-V est
très intéressante, puisqu’elle permet d’augmenter le rendement.
Dans notre mémoire nous allons étudier la structure à multi-puits quantique en Tandem pour
augmenter l’absorption et le rendement, nous proposons d’utiliser les matériaux III-N tel que
le binaire GaN et InN pour former le ternaire pour pouvoir palier tous le spectre
solaire de l’infrarouge jusqu'à l’ultra violet en proposant d’utiliser l’hétérostructure
/GaN pour la conception d’une photopile solaire plus performante.
Le chapitre suivant est consacré à l’étude détaillé des propriétés des matériaux utilisés.
Chapitre I La conversion photovoltaïque 21
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I .6 Bibliographie :
[1] Henry Mathieu, Physique des Semiconducteurs et des Composants Electroniques, 5ème
édition, Dunod. P817,(2004).
[2] S.M. SZE, Physics of Semiconductor Devices, 2ème edition, Bell Laboratories, Chap 14
Solar Cells, (1981).
[3] Le solaire photovoltaique – www.ineedra.org/ page/France/fichier/89-Alpha/JM Pdf
[4] Silicium monocristallin - energie-developpement.blogspot.com
[5] Module rigide et module souple en silicium amorphe -soleilphotovoltaique.fr
[6] A. Goetzberger V.U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, 2,
11/229, 2005.
[7] Ju Nie Tey, I Putu Mahendra Wijaya, Zongbin Wang, Wei Hau Goh and John A. Rogers,
Applied Physics Letters 94, 013107, 2009.
[8] Technologie review-emtech MIT, (2011) www.technologiereview.com.
[9] Nanotechweb.org- The nanorods.
[10] M.A.Green,K.Emergy,Y.Hishikawa et W.Warta, progress in photovoltaics : Researchand
Applications 2008,16,61
[11] Jing-shun Huang, Chen-Yuchou, Ching-Uhlin, Solar Energy Materials- Solar
Cells94 182-186 (2010)
[12] Cellule graetzel- www.panneau-solairesouple.com - photovoltaique.kappatau.eu
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 23
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Chapitre II
Etude des matériaux et hétérostructure
II.1. Introduction
II.2. Propriétés des composés binaires : GaN, AlN, InN
II.2.1 Propriétés structurales II.2.2 Polarisation piézoélectrique et spontanée II.2.3 Propriétés de bandes II.2.4 Propriétés particulières du GaN II.2.5 Propriétés particulières de l’AlN II.2.6 Propriétés particulières de l’InN
II.3. Propriétés des alliages ternaires N, N, N
II.3.1 L’InxGa1-xN II.3.2 L’AlxGa1-xN II.3.3 L’InxAl1-xN
II.4. Propriétés de l’ hétérostructure L’InxGa1-xN / GaN
II.4.1 L’affinité électronique II.4.2.Calcul des Band-offsets dans N/ GaN II.4.3 L’affinité électronique II.4.4. La contrainte de l’hétérostructure N/ GaN
II.5. Conclusion
II.6. Bibliographie
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 24
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II.1. Introduction :
Dans ce chapitre, nous allons étudier les propriétés structurales et de bande des
semiconducteurs GaN, AlN, InN.
Ces matériaux ont un grand gap direct et sont de la famille des nitrures, ils peuvent couvrir
tout le spectre solaire allant de l’infrarouge à l’ultraviolet. Ils sont caractérisés par un fort
coefficient d’absorption, une grande mobilité et une bonne résistance mécanique et thermique.
En plus ils ont une bonne tenue aux forts champs électriques et aux radiations
électromagnétiques d’où l’utilité de les utilisés dans le domaine spatiale.
Parmi leurs applications les lasers, les détecteurs, les amplificateurs de hautes puissances et
les photopiles solaires [1].
Avec ces composés binaires ont peut former les alliages ternaires comme InxGa1-xN
AlxGa1-xN et InxAl1-xN qui ont des propriétés qu’on peut ajuster suivant la composition x.
Pour concevoir et réaliser notre cellule solaire, le choix a été porté sur le ternaire InxGa1-xN,
c’est un matériau à gap direct ajustable suivant la composition x et il couvre la majeure partie
du spectre solaire.
En dernier, nous avons étudié les propriétés de l’hétérostructure InxGa1-xN /GaN à multi-puits
quantiques qui nous permet de concevoir notre photopile solaire.
Cette hétérostructure est caractérisé par une contrainte et un champ électrique à l’interface, ce
champ électrique est du à la polarisation spontanée du à la structure wurtzite et la polarisation
piézoélectrique.
On doit optimiser cette polarisation et se limiter a une contrainte x 20%.
II.2. Propriétés des composés binaires InN, GaN, AlN :
II.2.1. Propriétés structurales :
Les semi-conducteurs InN, GaN, AlN cristallisent sous deux formes : la forme wurtzite et la
forme zinc blende.
La structure de zinc blende est constituée de deux réseaux cubique face centrée, l’un
contenant des éléments du groupe III (Ga, In, Al) et l’autre de l’azote décalé l’un par rapport à
l’autre d’un quart de diagonale principale, soit a , avec a la longueur du cube du réseau
cubique face centrée. Cette structure est représentée dans la figure (II-1).
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 25
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Dans la structure Würtzite, les atomes d’azote forme un réseau hexagonal, on a deux sous
réseaux, l’un formé des atomes d’azote et l’autre par les atomes d’éléments du group III (Ga,
In, Al) décalés suivant l’axe c de 5/8i ème de la maille élémentaire.
La structure hexagonale est définit par les paramètres a, c et u, ou a correspond à la longueur
du coté de l’hexagone dans le plan (0001), c est la hauteur de la maille selon l’axe [0001], u
le paramètre interne. L’axe c est un axe polaire. La structure Würtzite est idéale quand le
rapport = 1.633 [2], cette structure est démontrée sur la figure (II-1).
La structure la plus stable à l’équilibre thermodynamique pour ces matériaux est la structure
Würtzite.
Les paramètres de maille de la structure wurtzite des matériaux GaN, AlN, InN sont donnés
dans le tableau suivant :
[1] I. Vurgaftman, J. R. Meyer “Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys” J. Appl. Phys. VOLUME 89, NUMBER 11 (2001).
InN GaN AlN a (Å) c (Å)
c/a
Tableau II-1 : Représentation des paramètres de maille de la structure wurtzite des matériaux GaN, InN, AlN
Figure II-2 : Structure wurtzite des
nitrures d’éléments III [3]
Figure II-1.: Structure zinc blende des
nitrures d’élément III [3]
a a
c
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 26
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II.2.2. Polarisation piézoélectrique et spontanée :
A l’équilibre, les matériaux GaN, InN, AlN Würtzite possèdent une polarisation spontanée.
Elle provient du fait que les barycentres des charges positives (les atomes de Ga, In, Al) et des
charges négatives (les atomes d’azote) ne coïncident pas [4]. Il y’a création d’un dipôle dans
chaque maille. Ces dipôles donne une polarisation orientée suivant la direction de croissance c
[0001].
Dans le cas du GaN, on a deux orientations possibles de la maille, la polarité gallium et la
polarité azote, nous avons schématisé les deux orientations dans la figure (II-3). L’axe
est orienté du gallium vers l’azote, cette structure est appelé polarité gallium et celle
suivant l’axe polarité azote.
Dans les hétérostructures la superposition des matériaux différents, crée une seconde
polarisation dans le matériau, c’est la polarisation piézoélectrique.
La polarisation piézoélectrique apparait dans la couche lorsqu’on applique une contrainte qui
modifie la maille du cristal. La structure Würtzite est non centrosymétrique.
Ces deux polarisations donnent naissance à un champ électrique.
II.2.3. Propriétés de bandes :
Les semi-conducteurs InN, GaN, AlN ont un gap direct c’est à dire le minimum de la bande
de conduction et le maximum de la bande de valence se trouve au même point k au centre de
la zone de Brillouin G( ).
Dans la phase hexagonale et au voisinage du point G , on a une bande de conduction unique
mais la bande de valence est divisée en trois bandes nommées HH, LH et SO (bandes des
Polarité Gallium Polarité Azote
Figure II-3: Schéma des polarités Gallium et Azote du GaN wurtzite
Ga
N
Substrat
Ga
N
Substrat
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trous lourds, trous légers et spin orbital) à cause des interactions spin orbite et du champ
cristallin qui lève la dégénérescence.
Les bandes interdites des matériaux GaN, AlN, InN à gap direct sont regroupées dans le
tableau suivant :
[1] I. Vurgaftman, J. R. Meyer “Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys” J. Appl. Phys. Volume 89, Number 11 (2001). [2] Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol. 1: Materials Properties, Physic and Growth, Prof. Dr. Hadis Morkoç. [3]S-C Lin,C-T Kuo, X Liu, L-Y Liang, C-H Cheng, C-H Lin, S-J Tang, L-Y Chang,C-H Chen, and S Gwo Appl.Phys.Exp.5,031003(2012).
La figure (II-5) montre les bandes interdites ( ) des principaux matériaux GaN, InN, AlN en
fonction du paramètre cristallin a.
InN GaN AlN
à T=0K
eV
eV
eV
à T=300K
eV
eV
eV
Tableau II-2 : Représentation de la bande interdite des matériaux GaN, AlN, InN
Figure II-4 : Schéma de la structure de bande
Trous lourds Δso
E( )
BC
BV
Trous legers
Champ cristallin
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 28
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Les diagrammes de bande de GaN, AlN, InN en phase hexagonale sont représentés sur la
figure (II-6) :
Les principales propriétés de ses composés binaires sont représentés dans le tableau suivant :
GaN AlN InN ∆so (eV) m*e /m0 m*lh /m0 m*hh /m0 m*so /m0
e (meV/k)
(k)
Figure II-6: Diagramme des bandes de AlN, InN, GaN en phase hexagonale III [7]
Tableau II-3 : Les principales propriétés des composés binaires GaN, AlN, InN
Figure II-5 : Bandes interdites des principaux matériaux GaN, InN, AlN
en fonction du paramètre cristallin de spectre solaire AM 1.5 [6].
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 29
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Graphe II-2: Variation du gap de AlN en fonction de la température
0 50 100 150 200 250 300
6,13
6,14
6,15
6,16
6,17
6,18
6,19
6,20
6,21
6,22
6,23
6,24
AlN
Eg(e
V)
T(K)
[1] I. Vurgaftman, J. R. Meyer “Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys” J. Appl. Phys. VOLUME 89, NUMBER 11 (2001).
[2] Bougrov, V., Levinshtein, M.E.,Rumyantsev, S.L. and Zubrilov, A. (2001) Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe(eds M.E. Levinshtein, S.L. Rumyantsevand M.S. Shur), John Wiley & Sons, Inc.,New York, pp. 1–30. [3] Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol. 1: Materials Properties, Physic and Growth, Prof. Dr. Hadis Morkoç- 2008. [4]Properties of semiconductors, Wiley series in materials of Electronic and optoelectronic applications, Sadao-Adachi-Gunma, Japan,1009 John Wiley. [5] J.I.Pankove and H.EP shade, App.phys let 25,53 (1974). [6] S-C Lin,C-T Kuo, X Liu, L-Y Liang, C-H Cheng, C-H Lin, S-J Tang, L-Y Chang,C-H Chen, and S Gwo Appl.Phys.Exp.5,031003(2012).
La variation de l’énergie de bande interdite en fonction de la température au dessus de 300°K
est donnée par l’équation de de Varshni [8] : = -
En utilisant cette équation on obtient les graphes suivant :
Graphe II-1: Variation du gap du GaN en fonction de la température
0 50 100 150 200 250 300
3,43
3,44
3,45
3,46
3,47
3,48
3,49
3,50
3,51
GaN
Eg(e
V)
T(K)
(II-1)
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 30
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0 50 100 150 200 250 300
0,70
0,71
0,72
0,73
0,74
0,75
0,76
0,77
0,78
0,79
InN
Eg(e
V)
T(K)
Graphe II-3: Variation du gap de l’InN en fonction de la température
Les variations des gaps du GaN, AlN, et InN en fonction de la température ont été calculé en
utilisant l’équation (II-1) citée précédemment en utilisant les références du tableau (II-3).
II.2.4. Propriétés particulières du GaN : Les différentes propriétés du GaN sont regroupées dans ce tableau :
[1] Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol. 1: Materials Properties, Physics and Growth, Prof.
Dr. Hadis Morkoç.
Le GaN présente une série d’avantages:
Ø Son grand gap direct à 300°K
Ø Sa bonne conductivité thermique et résistance aux hautes températures, pression et
radiation de haute énergie.
Ø Il est dur et mécaniquement stable.
Ø Ses propriétés piézoélectriques.
Propriétés Valeur
Point de fusion 2500°C
Mobilité des électrons
Mobilité des trous <
Indice de réfraction
Tableau II-3 : Représentation des différentes propriétés physiques du matériau GaN
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 31
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Il croit sur du saphir ( ) qui est disponible et cher et du carbure de silicium (SiC) qui
est mieux adapté en maille que le saphir [9].
Le GaN est un matériau utilisé dans les diodes électroluminescentes utilisées dans l’éclairage
des téléphones portable, éclairage public, affiche publicitaires et les transistors pour
l’électronique de puissance, les diodes laser, les photodétecteurs (détection dans l’ultra violet)
comme les détecteurs de flamme, dans le domaine militaire pour la communication
intersatellite et la détection de missile et de corps chaud [5].
Le GaN est un semi-conducteur très utilisé dans la conversion photovoltaïque car il présente
plusieurs avantages, nous citons quelques une :
Ø A un gap direct
Ø Non toxique
Ø Peut être fabriqué à l’échelle nanométrique.
Ø A un grand coefficient d’absorption dans le spectre solaire.
Ø Son fonctionnement dans des conditions de haute température et milieu hostile.
II.2.5. Propriétés particulières de l’AlN et InN : Le nitrure d’aluminium est un semiconducteur à grand gap direct. Il est dur et possède une
excellente conductivité thermique [11] et une bonne résistance. Il forme l’alliage AlGaN avec
le GaN.
Le nitrure d’indium est un semiconducteur caractérisé par une instabilité thermique, ce qui
interdit la croissance à température élevée, une mobilité électronique élevée plus que
3000 [1].
II.3. Propriétés des alliages ternaires InxGa1-xN, AlxGa1-xN, Al1-xInxN :
II.3.1. Le ternaire Inx Ga1-xN :
L’alliage ternaire InxGa1-xN est composé des deux binaires GaN et InN. Ce matériau possède
un gap direct qui varie entre 0,7 eV et 3,42 eV [12]. Le substrat utilisé est du GaN, du saphir
ou le carbure de silicium.
InxGa1-xN est un matériau de base pour la réalisation des cellules photovoltaïques puisqu’il
balaye le spectre visible entier du proche infrarouge à l’ultra violet. Il a une bonne résistance
thermique et une bonne tenue aux rayonnements cosmiques.
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 32
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Les cellules solaires à base de ce matériau offrent des rendements très élevés.
Ø Le gap :
En utilisant l’équation suivante qui donne la variation non linéaire du gap avec le bowing, on
calcul l’énergie de ce ternaire qui varie avec la composition x :
(InxGa1-xN) (GaN) (1 x)+ (InN) x x(1 x) b
(InxGa1-xN) 3.493 (1 x)+0.65 x x(1 x) b
Le paramètre b est le paramètre de courbure (bowing).
La valeur du bowing de l’alliage InxGa1-xN est de eV
[1]:V. Yu. Davydov, A. A. Klochikhin, V. V.Emtsev, D.A. Ivanov, V.A. Vekshin, F.Bechstedt, J.Furthmu’’ller,
J. Aderhold, Graul, A.V. Mudryi, H. Harima, A.Hashimoto, A. Yamamoto, and E.E. Haller.phys.stat.sol.(b)234,
No.3,787-795 (2002).
La variation du gap en fonction de la composition x du ternaire InxGa1-xN est représentée
dans le graphe suivant (II-4) :
En augmentant la composition d’Indium le gap diminue jusqu'à atteindre le gap de l’InN.
Ø Le paramètre de maille :
Le paramètre de maille a et c sont donnés par la Loi de Vegard [8] :
a (InxGa1-xN) (GaN) (1 x)+ a (InN) x
c (InxGa1-xN) (GaN) (1 x)+ c(InN) x
a (InxGa1-xN) = 3.189 (1 x)+ 3.545 x
c (InxGa1-xN)= 5.184 (1 x)+ 5.703 x
(II-2-a)
(II-3-a)
(II-4-a)
(II-2-b)
(II-3-b)
(II-4-b)
Graphe II-4: Variation du gap d’InxGa1-xN en fonction de la composition x de
l’alliage
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,351,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
InxGa
1-xN
Eg(sans bowing)
Eg(avec bowing)
Eg(
eV
)
Composition d'alliage x
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 33
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
Les variations linéaires des paramètres de maille a et c en fonction de la composition x sont
représentées dans le graphe (II-5):
Cette variation est linéaire et croissante avec la composition x en Indium.
A x=0, le paramètre de maille prend la valeur du GaN (a=3.189 °, c=5.184 °) et il augmente
pour atteindre les paramètres de maille de l’InN (a=3.545 °, c=5.703 °) à x=1.
Ø Le spin orbite :
La bande de l’énergie du spin orbite de l’InxGa1-xN varie linéairement (graphe 6-II), en
fonction de la composition x de l’InN, suivant la relation:
= x + = 0.084 x + (1- x) 0.014
Graphe II-5: Variation du paramètre de maille de InxGa1-xN en fonction de
la composition x de l’alliage
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
a
cIn
xGa
1-xN
GaN InN
Para
metr
es d
e m
aill
e a
,c
Composition d'alliage x
(II-5-a)
(II-5-b)
Graphe II-6: Variation du spin orbital de l’ InxGa1-xN en fonction de la composition x de l’alliage.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
InNGaN
DSO
Eg pour b=2.5
Eg pour b=0
InxGa
1-xN
Eg, D
SO
(e
V)
Composition d'alliage x
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 34
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
Ø Les masses effectives :
Les masses effectives de conduction et de valence sont calculées à partir des équations
suivantes :
Les allures de ces équations sont représentées dans le graphe (II-7):
II.2.3. Le ternaire AlxGa1-xN :
Le ternaire AlxGa1-xN est obtenu à partir des deux binaires AlN et GaN. Cet alliage présente
un gap direct ajustable avec la composition x et il cristallise suivant la structure Würtzite.
L’énergie et les paramètres de maille du composé ternaire AlxGa1-xN en fonction du taux
d’aluminium x sont donnés par:
(AlxGa1-xN) (GaN) (1 x)+ (AlN) x x(1 x) b
(AlxGa1-xN) = (1 x)3.4+ 6.1x x (1 x) b
La valeur du bowing de l’alliage AlxGa1-xN est de 1 eV [12].
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
InxGa
1-xN
mso
mlh
mhh
me
masse e
ffectives (
m0)
Composition d'alliage x
Graphe II-7: Variation des masses effectives de l’alliage InxGa1-xN en fonction
de la composition x.
(II-6)
(II-7-a)
(II-7-b)
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 35
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
Le gap du composé ternaire nitrure de gallium aluminium AlxGa1-xN reste également direct
quelque soit la composition en aluminium et augmente progressivement jusqu'à atteindre le
gap du AlN.
Les paramètres de maille a et c sont données par :
a (AlxGa1-xN) (GaN) (1 x)+ a (AlN) x
c (AlxGa1-xN) (GaN) (1 x)+ c (AlN) x
a (AlxGa1-xN) = 3.189 (1 x)+ 3.112 x
c (AlxGa1-xN) = 5.184 (1 x)+ 4.982 x
Ces paramètres diminuent jusqu'à atteindre les paramètres de maille de l’AlN.
Graphe II-9: Variation du gap d’AlxGa1-xN en fonction de la composition x en
Aluminium de
l’alliage ternaire Al Ga N.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
5,2
5,4
5,6
5,8
6,0
6,2
6,4
GaN AlN
AlxGa
1-xN
Eg pour b=0
Eg pour b=1
E
g(A
l xGa
1-xN
) eV
Composition d'alliage X
(II-8-a)
Graphe II-8: Variation du paramètre de maille d’AlxGa1-xN en fonction de la
composition x de l’alliage
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
3,10
3,15
3,20
3,25
3,30
3,35
3,404,8
4,9
5,0
5,1
5,2
5,3
AlNGaN
c
a
AlxGa
1-xN
Par
amet
res
de m
aille
a,c
Composition d'alliage x
(II-9-a)
(II-8-b)
(II-9-b)
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 36
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La variation du couplage spin orbite de l’AlxGa1-xN en fonction de la composition x de l’AlN,
suivant la relation:
= x +
= 0.019 x + (1- x) 0.014
La variation des masses effectives de conduction et de valence de l’AlxGa1-xN en fonction de
la composition x suivant les relations:
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
1
2
3
4
5
AlNGaN
mso
mlh
mhh
me
AlxGa
1-xN
mas
ses
effe
ctiv
es(m
0)
Composition d'alliage x
Graphe II-10: Variation des masses effectives de l’ AlxGa1-xN en fonction de la
composition x de l’alliage.
(II-10-a)
(II-11)
(II-10-b)
Graphe II-11: Variation du spin orbital de l’ AlxGa1-xN
en fonction de la composition x de l’alliage.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,2
0,4
3
4
5
6
AlNGaN
AlxGa
1-xN
Eg
DSO
E
g(A
l xGa
1-xN
) eV
Composition d'alliage X
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 37
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II.2.4. Le ternaire InxAl1-xN :
L’alliage ternaire InxAl1-xN est composé de deux binaires InN et AlN, les propriétés de bande
et structurales de ce ternaires dépendent de la composition de x en Indium.
La variation du gap et des paramètres de maille et le spin orbite sont calculés à partir de
l’équation la Loi de Vegard [8]:
(InxAl1-xN) (AlN) (1 x)+ (InN) x x(1 x) b
(InxAl1-xN) 6.1 (1 x)+ 0.7 x x(1 x) b
Les valeurs du bowing de l’alliage InxAl1-xN sont : la valeur théorique 2.53 eV [14] et la
valeur expérimentale 16 9.1x [14].
La variation du gap en fonction de la composition x en Indium en considérant les deux valeurs
du bowing b= 2.53eVet b= 16-9.1x de l’alliage InxAl1-xN sont données dans le graphe (II-12).
Les paramètres de mailles sont :
a (InxAl1-xN) (AlN) (1 x)+ a (InN) x
c (InxAl1-xN ) (AlN) (1 x)+ c (InN) x
a (InxAl1-xN) 3.112 (1 x)+ 3.545 x
c (InxAl1-xN) 4.982 (1 x)+ c 5.703
Graphe II-12: Variation du gap en fonction de la composition x en Indium de l’alliage
ternaire InxAl1-xN.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
AlN InN
InxAl
1-xN
Eg pour b=16-9.1x
Eg pour b=2.53
Eg(
eV
)
Composition d'alliage x
(II-12-a)
(II-13-a) (II-14-a)
(II-12-b)
(II-13-b)
(II-14-b)
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 38
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La variation du couplage spin orbite de l’alliage InxAl1-xN est donnée par l’équation suivante :
= x +
= 0.084 x + (1- x) 0.019
La variation des masses effectives des électrons et des trous lourds et légers de l’InxAl1-xN
sont calculés par la loi de Vegard en fonction de la composition x de l’alliage suivant les
équations suivantes :
Graphe II-13: Variation des paramètres de maille a et c en fonction de la composition x
en Indium de l’alliage ternaire InxAl1-xN.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
3,0
3,2
3,4
3,6
4,8
5,0
5,2
5,4
5,6
5,8
6,0
AlN InN
c
a
InxAl
1-xN
Les
para
mèt
res
de m
aille
a,c
Composition d'alliage x
Graphe II-14: Variation du couplage spin orbital de l’ InxAl1-xN en fonction de
la composition x de l’alliage.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
AlN InN
Eg pour b=2.53
Eg pour b=16-9.1x
DSO
InxAl
1-xN
Eg, D
SO
(e
V)
Composition d'alliage x
(II-15-a)
(II-16)
(II-15-b)
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 39
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
BV
e χGaN = 3.8 eV
GaN GaN InGaN
ΔEc
ΔEv
e χGaN = 3.8 eV
EC GaN
Eg InGaN
e χInGaN
NV NV
Eg GaN = 3.4eV
BC
EV GaN EV GaN
EC GaN
Eg GaN = 3.4eV
EV InGaN
EC InGaN
Figure II-7 : Diagramme de bandes d’énergie de l’ hétérostructure InGaN/GaN
Leurs allures sont représentées dans le graphe (II-15).
II.4. Propriétés de l’ hétérostructure InxGa1-xN /GaN :
Une hétérostructure est formée par deux matériaux semiconducteurs différents (par leurs gap
Eg et leurs affinités électronique e χ) fabriqués l’un sur l’autre par croissance (épitaxie).
La différence des énergies Eg + eχ fait apparaitre une différence de potentiel qui donne un
éclatement des bandes de conduction et des bandes de valence.
Puisque nous allons utiliser l’hétérostructure N/ GaN pour la réalisation de la cellule
photovoltaïque, nous allons définir les paramètres de cette structure.
Le matériau constitue le puit de potentiel ou les porteurs sont confinés. Le
matériau GaN constitue quand à lui la barrière, la figure (II-7) représente les bandes de
conduction et les bandes de valence.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
1
2
3
4
5
mso
mlh
mhh
me
InN
InxAl
1-xN
AlN
masses e
ffectives(m
0)
Composition d'alliage x
Graphe II-15: Variation des masses effectives de l’ InxAl1-xN en fonction de
la composition x de l’alliage.
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 40
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
II.4.1.Calcul des Band-offsets dans InxGa1-XN / GaN :
Pour calculer la différence des énergies de la bande de conduction et de la bande de valence il
est nécessaire de connaitre les affinités électroniques de chaque matériau.
Sachant que l’affinité électronique du GaN est connue et l’affinité de N à été
précédemment calculé donc les variations de band-offsets et et s’écrivent :
= -
= e - e
= ( + e ) - ( +e )
e = (1-x) e + x e
Remarque : Les valeurs des gaps et des affinités électroniques de l’InGaN et du GaN utilisés
dans les équations sont représentées dans le tableau (II-3).
Les variations des bands -offsets et du gap en fonction de l’alliage sont représentées dans la
figure (II-16).
D’après la figure on remarque que et augmente en augmentant la concentration en
indium, donc on aura un bon confinement des porteurs de charges.
II.4.2 L’affinité électronique :
La variation de l’affinité électronique dans N est déterminée par les équations
suivantes et représentées dans le graphe (17-II).
(II-17)
(II-18)
(II-18b) (II-19)
(II-20)
Graphe II-16: Variation des band-offsets et du gap en fonction de la
composition x en Indium de l’alliage ternaire InxGa1-xN.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,350,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2 Band Offset de InxGa
1-xN
par la règle des Affinités électroniques
DEC
DEV (Sans le Bowing)
DEV (Avec le Bowing)
DE
C ,
DE
V (
eV
)
Composition d'alliage x
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 41
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
e = (1-x) e + x e e = 3.8 (1-x) + 4.7x
Comme on peut le voir sur le graphe l’affinité électronique de l’ augmente avec la
composition x.
II.4.3. La contrainte de l’hétérostructure InxGa1-XN / GaN :
Le calcul de la contrainte dans l’hétérostructure N/ GaN est déterminé par :
é
La variation de la contrainte en fonction de la composition x est illustrée dans le graphe II-18.
Graphe II-18: Variation de la contrainte de l’hétérostructure N/ GaN en
fonction de la composition x en Indium.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
-0,10
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
-0,10
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
Da/a
InGaN/GaN
Désaccord
de m
aille
Da/a
Composition d'alliage x
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
-0,10
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
Dc/c
InGaN/GaN
Désaccord
de m
aill
e D
c/c
Composition d'alliage x
(II-21a)
(II-22-a)
(II-21b)
(II-22-b)
Graphe II-17: Variation de l’affinité électronique en fonction de la composition x
en Indium de l’alliage ternaire InxGa1-xN.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
ec(In
xGa
1-xN)
ec(I
n xGa 1
-xN
)
Composition d'alliage x
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 42
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
On remarque que le rapport et est toujours négative quelque soit la composition x, ce
qui veut dire que l’hétérostructure est sous contrainte avec le puits de InGaN qui est
comprimé et la barrière de GaN qui est détendue. Pour éviter l’apparition des défauts ou la
destruction de l’hétérostructure, on doit maintenir la contrainte 20% (typiquement).
II.5. Conclusion :
Dans ce chapitre, nous avons présenté les matériaux III-N (GaN, AlN, InN), et leurs
propriétés ainsi que les alliages ternaires , et .
Nous avons étudié les propriétés de l’hétérostructure N/ GaN tel que les variations
du gap l’affinité électronique e , la contrainte en fonction de la composition d’alliage
ternaires dans le but d’étudier l’hétérostructure et sa faisabilité.
D’après cette étude on remarque que notre hétérostructure N/GaN à un gap direct
ajustable pour une composition d’alliage x dans toute la gamme du spectre solaire allant de
l’ultraviolet ( = 3.4eV pour le GaN) jusqu'à l’infrarouge ( = 0.7eV pour l’InN). Elle est
de type I.
La structure est caractérisé par une contrainte et une polarisation.
Le bon contrôle de la contrainte c'est-à-dire 2% et de la polarisation permet d’augmenter
considérablement le rendement de la photopile.
Chapitre II Etude des matériaux et hétérostructures 43
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012 Dpt de Physique
II.6. Bibliographie :
[1] Hadis Morkoç, Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol 1, Materials
Properties, Physics and Growth.
[2] J. L. Birman, “Potential in Zinc blende and Wurtzite” Phys. Rev. 109, 810 (1958)
[3] Fabrice Enjalbert, Doctorat, l’Université Joseph Fourier – Grenoble 1, (2004).
[4] C.R.Abernathy. Growth of group III nitrides from moleclar beams in GaN andrelated
materials, edited by S.J.Pearton , (1997).
[5] Solar Cells Wide Band Gap III-V.
[6] Laboratoire Charles Coulom –cnrs-Growth of InGaN epilayers toward Solar Applications –
15 octrobre 2010/ http://www.coulomb.univ-montp2.fr/Growth-of-InGaN-epilayers-toward.
[7] Fritsch, D., Schmidt, H. an1d Grundmann,M. Band-structure pseudopotential calculation of
zinc-blende and wurtzite AlN, GaN, and InN. Physical Review B: Condensed Matter, 67,
235205, (2003).
[8] Vurgaftman and J. R. Meyer, Band parameters for III–V compound semiconductors and
their alloys, J.Applied Physics Review Volume 89, Number 11 (2001).
[9] Henry Mathieu, Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques, 6e édition.
[10] Silvija Gradecak, Structural and optical properties of laterally overgrown Gallium Nitride
studies by electron Microscopy, n 2880 (2003) .
[11] F.Litimen, B.Bouhafs, Z. Drici and P.Ruterna “The electronic structure of wurtzite and
zinc blend AlN ”,. New Journal of physics 4, 64.1-64.12 (2000).
[12] Journal of Applied Physics / Volume 94 / Structural, mechanical thermodynamic, and
optical properties of condensed Matter.
[13] M. Marques, L. K. Teles, L. M. R. Scolfaro, and J. R. Leite, J. Furthmuller and F.
Bechstedt. Applied Physics Letters, Vol.83, No. 5, 4 August (2003).
[14] Hadis Morkoç, Handbook of Nitride Semiconductors and Devices Vol. 1: Materials
Properties, Physics and Growth.
49 Chapitre III Photopile solaire nanostructurée à base d’ N/ GaN
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN
Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012
Dpt de Physique Université d’Oran
Chapitre III
Photopile solaire nanostructurée à base
InxGa1-xN/GaN
III.1. Introduction
III.2. La structure de la photopile solaire InxGa1-xN/ GaN
III.2.1. La structure quantifiée InxGa1-xN/ GaN III.2.2. Le puits et la barrière III.2.3. La structure Tandem
III.3. Propriétés de la photopile solaire à base InxGa1-xN/ GaN
III.3.1.Paramètres caractéristiques de la photopile solaire à base InGaN/GaN
III.3.2.Etude de la photopile solaire à jonction PIN à multi-puits quantiques InGaN/GaN
III.4. Conclusion
III.5. Bibliographie
50 Chapitre III Photopile solaire nanostructurée à base d’ N/ GaN
Laradji Nawal Etude de Photopiles Solaires Nanostructures à base de Nitrures III-V GaN, AlN, InN
Magister Ecole doctorale Nanoscience Nanotechnologie Nanométrologie 2012
Dpt de Physique Université d’Oran
III.1. Introduction :
Ce chapitre est consacré à la conception de la photopile solaire. La photopile est à base de
l’hétérostructure InxGa1-xN/GaN en multi-puits quantique en tandem.
L’hétérostructure InxGa1-xN/GaN est formée par les deux binaires InN et GaN, qui couvre la
majorité du spectre solaire du proche ultraviolet (gap du GaN) à l’infrarouge moyen (gap de
l’InN) avec la possibilité de varier le gap en fonction de la composition x. En plus ces
matériaux sont caractérisés par une grande mobilité, une bonne résistance mécanique et
thermique et un grand coefficient d’absorption.
Dans ce travaille nous allons expliquer la structure et la conception de la photopile solaire
nanostructurée à base InxGa1-xN/GaN en Tandem et ceci avec une teneur en Indium inférieure
à 0.2, en prenant en considération l’effet de la contrainte pour améliorer les performances de
la cellule solaire. Cette cellule solaire doit fonctionner avec un bon rendement.
Pour pouvoir réaliser ces objectifs, nous devons concevoir la meilleur structure à partir de
l’hétérostructure InxGa1-xN /GaN en contrôlant les effets de la contrainte.
III.2. La structure de la cellule solaire InxGa1-XN/ GaN :
Il existe différentes structures avec différents matériaux pour la conception des photopiles
solaires. Dans notre travail nous étudions les photopiles solaires nanostructurée Tandem à
base InxGa1-xN/GaN. C’est une structure qui permet d’améliorer le rendement.
InxGa1-xN/GaN nous permettra d’aller du gap de l’InN (Infra Rouge Moyen) au gap du GaN
(Proche Ultra Violet).
La photopile solaire à multi-puits quantiques est constituée d’un empilement de matériaux
puits-barrières inséré entre deux couches de matériaux fortement dopés (n et p) pour réaliser
des contacts électriques, le tout monté sur un substrat séparé par une couche Tampon.
Cette structure est représentée dans la figure (1-III).
51 Chapitre III Photopile solaire nanostructurée à base d’ N/ GaN
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La structure de la photopile solaire est représentée dans la figure (1-III).
Elle est constituée de :
· Substrat
· Couche Tampon
· Couche active
· Couche de passivation
· Des contacts métalliques
Ø Le substrat :
Le substrat utilisé est le saphir ( ), il est disponible et peu cher.
Ø La couche Tampon :
La couche Tampon sépare la couche active du substrat. Cette couche limite les dislocations à
l’interface, bloque les impuretés qui remonte à partir du substrat, rattrape le désaccord de
Contact p
Contact n
Figure1-III: Structure de la cellule solaire
Substrat
Couche Tampon
InAlN
n-GaN
p-GaN Multi-puits quantiques
MPQ InxGa1-xN
(25 puits d’InGaN et
26 barrières de GaN)
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maille et améliore le confinement des électrons et des trous ce qui augmente la mobilité des
électrons. Dans notre cas on utilise l’InAlN.
Ø La couche active :
La réalisation de la couche active est faite par épitaxie par jet moléculaire (MBE), on fait
croitre couche par couche le semi-conducteur InGaN (puits) sur le semi-conducteur GaN
(barrière). La couche active est constituée d’une structure à multi puits quantiques
InxGa1-xN/GaN, ce sont plusieurs couches très fines, placées entre deux couches, d’un semi-
conducteur de type n et d’un semi-conducteur de type p.
Le diagramme de bande d’une structure PIN à un seul puits quantique est représenté sur
la figure (2-III).
Ø La couche de passivation :
La couche de passivation permet de protéger le composant des impuretés extérieures.
Ø Les contacts métalliques :
La couche dopé n est une connexion électrique avec une couche métallique comprenant une
couche de Ti-Al au dessus.
Figure2-III: Structure PIN d’un seul puits quantique
EC
EV
P
In
N InGaN GaN
GaN
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Nous avons également une couche dopé p et une connexion électrique avec une couche
métallique comprenant une couche de Ni-Au.
III.2.1 La structure quantifiée InxGa1-XN/ GaN :
La structure multi-puits quantiques est constituée de plusieurs puits identiques du matériau
ternaire InxGa1-xN sur plusieurs barrières identiques du matériau binaire GaN.
Dans notre cas la structure contient 25 puits quantiques avec l’alliage ternaire InxGa1-xN et 26
barrières quantiques avec la GaN. La structure est représentée dans la figure ci-dessous :
III.2.2 Le puits et la barrière :
Dans l’hétérostructure InxGa1-xN/GaN, la barrière est formée par le GaN avec une largeur de
bande interdite = 3.4eV. Le puits est formé par InxGa1-xN dont le gap est en fonction de la
composition x d’indium. Ce gap varie du gap du GaN ( = 3.4eV) au gap de l’InN
( = 0.65eV) (la variation du gap en fonction de la composition x est représenté dans le
chapitre II). Le diagramme du puits quantique est représenté dans la figure (4-III).
BV
GaN InGaN
E1
HH1
BC GaN
LH1
=3.4 eV
Bv
GaN InGaN
Bc
GaN InGaN GaN InGaN GaN
Figure 3-III: Structure de bande multi-puits quantiques InGaN/GaN.
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Les hétérostructures à base d’InxGa1-xN/GaN sont adaptées pour les photopiles solaires.
Cependant pour les multi-puits quantiques, ces hétérostructures présentent des limites dues
aux problèmes liés aux :
ü la contrainte
ü la polarisation
ü la technologie
ü la chimie
ü la séparation de phase
ü l’incorporation de l’indium
Comment résoudre ces problèmes ?
Pour la réalisation de la structure InxGa1-xN/GaN à multi-puits quantiques il faudra prendre en
considération :
La contrainte :
En empilant des couches de semiconducteurs de même structure cristalline et de paramètre de
maille différent induit une déformation.
Dans notre cas le paramètre de maille du puits InGaN est plus grand que celui de la barrière
GaN, la contrainte est une compression dans le puits InGaN comme nous l’avons vu dans le
chapitre II. Ces effets de contrainte influent sur les propriétés de la photopile. On aura un
éclatement des sous bandes d’énergie et l’augmentation de la bande interdite (figure 5-III).
Figure 4-III: Diagramme du simple puits quantique de l’InGaN/GaN.
BC
BV
GaN InGaN
E1
HH1
BC GaN
LH1
BV
GaN InGaN
E1
HH1
GaN
LH1
Non contraint Compression
Figure 5-III: Influence de la contrainte sur le puits [1].
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Ces effets de contrainte influent sur les propriétés de la photopile. On doit gérer cette
contrainte.
Pour cela nous avons fait une étude sur la variation du désaccord de maille entre le puits et la
barrière (voir chapitre II). Nous devons choisir une bonne composition d’alliage pour réaliser
l’hétérostructure.
Dans notre étude on considère que le puits est sous compression à 2% et l’hétérostructure est
de type I, les électrons et les trous sont confinés dans le même matériau semiconducteur.
Pour éviter toute cassure et détérioration il faudra prendre une composition x 0.2 donc nous
pouvons utiliser cette contrainte dans l’optimisation des paramètres de la structure à base
d’InxGa1-xN/GaN.
La polarisation :
Dans l’hétérostructure InxGa1-x N/GaN on a des effets de la polarisation interne, la
polarisation spontanée et la polarisation piézoélectrique.
La polarisation spontanée (naturelle) est du à la symétrie du cristal, du à la structure Würtzite.
La polarisation piézoélectrique est du aux barycentres des charges positives et négative qui ne
coïncide pas, du à la déformation du cristal et la fabrication (croissance).
Lors de la fabrication du cristal, nous avons une déformation qui est du à la dilatation du
métal à la chaleur et sa contraction du à son refroidissement.
La polarisation totale est la somme des deux polarisations.
Cette polarisation à une importante influence sur les propriétés de l’hétérostructure.
Elle induit un champ électrique interne qui incline les bandes de conduction et de valence
dans les couches et dans le puits quantique.
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On obtient le schéma de la figure (6-III).
Dans la structure PIN, les puits sont dans la zone isolante, la partie isolante de la jonction
accélère les porteurs. On a un champ électrique de contact, ce champ électrique de contact
est du à la jonction.
En plus du champ électrique de contact, il existe un champ interne du à la polarisation
(piézoélectrique et spontanée), l’addition de ces deux champs crée une barrière de potentiel,
ce qui va retarder les porteurs et les diminuer.
La technologie :
On doit trouver la bonne impureté qui accepte et donne les électrons pour avoir du GaN du
type n et du GaN du type p pour la photopile PIN.
Le dopage du GaN de type n est obtenu avec du silicium Si et le dopage de type p pose
problème dans les semi-conducteurs à grand gap, le matériau le plus performant est le
magnésium.
La chimie :
L’indium est un semi-conducteur à faible solubilité dans le GaN.
La séparation de phase :
L’indium est un matériau qui a une tension de vapeur et il ne peut pas être incorporé
facilement, on le fabrique à basse température pour mieux l’incorporé.
BC GaN InGaN
BV
GaN InGaN BC
=
Figure 6 -III: Influence du champ électrique sur l’hétérostructure [2].
BV
GaN
GaN
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La méthode de fabrication du puits quantique InGaN/GaN utilise l’épitaxie par jet moléculaire
(MBE), le flux des atomes est envoyé sur le substrat chauffé, ceci sous un vide pour éviter
toute contamination externe. Sachant qu’à faible température, on ne peut pas fabriquer une
bonne qualité de couche.
Notre objectif est d’améliorer le rendement de la photopile solaire, ceci en contrôlant:
ü l’épaisseur de la couche
ü la disposition
ü la géométrie
ü les bonnes compositions du puits et de la barrière pour avoir un bon confinement des
porteurs et une faible contrainte.
Comment augmenter le rendement ?
On augmente le rendement en utilisant une structure à multi-puits quantiques connectées en
Tandem.
III.2.3. La structure Tandem :
Dans les cellules Tandem, nous avons plusieurs cellules avec des gaps décroissant pour
élargir le spectre d’absorption (figure 7-III).
La structure illustrée dans la figure (7-III) contient 3 puits quantiques et 4 barrières.
Cellule 3 (Eg3)
Spectre solaire AM1.5
Figure 7-III: Structure de la cellule Tandem.
Eg2
Longueur d’onde
Eg1
Irradiance
Cellule 1 (Eg1)
Cellule 2 (Eg2)
Eg1 > Eg2 > Eg3
Eg3
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Dans notre cas, nous avons utilisé 25 puits avec l’alliage ternaire InxGa1-xN et 26 barrières
quantiques avec la GaN, c'est-à-dire une structure à multi-puits quantiques PIN, illustrée dans
la figure (8-III).
De telle sorte que le gap diminue pour former une structure Tandem. Le gap varie avec la
composition x en Indium, en changeant cette composition d’alliage, le gap varie et on aura
une structure Tandem schématisé dans la figure (9-III).
I
EC
EV
GaN type P
GaN type N
25 puits d’InGaN
26 barrières de GaN
Figure8-III: Structure PIN à multi-puits puits quantiques.
BC
BV
Figure9-III: Variation du gap en fonction de la composition x.
InxGa1-xN
GaN BC
GaN
GaN InxGa1-xN
GaN
InxGa1-xN GaN
BC
BV
GaN
BV
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Ø Variation du gap avec x :
Pour avoir une structure Tandem et pouvoir varier le gap, nous allons prendre différentes
concentrations d’indium. En variant x, nous obtenons le tableau (1-III).
Pour les différentes compositions d’alliages, l’hétérostructure est de type I. La représentation
de l’hétérostructure InxGa1-XN/GaN pour ses compositions (sans bowing) est illustrée sur la
figure (10-III).
Paramètre
[eV] x=5% x=10% x=15% x=20% x=25% x=30% x=35%
Eg (InGaN) sans bowing
3.263 3.125 2.988 2.850 2.713 2.575 2.438
Eg (InGaN) avec bowing
3.232 2.984 2.748 2.524 2.314 2.115 1.929
e (InGaN)
3.845 3.890 3.935 3.980 4.025 4.070 4.115
sans bowing
0.137 0.275 0.412 0.55 0.687 0.825 0.962
avec bowing 0.168 0.416 0.652 0.876 1.087 1.285 1.471
0.045
0.09 0.135 0.18 0.225 0.27 0.315
sans bowing 0.092 0.185 0.277 0.37 0.462 0.555 0.647
avec bowing 0.123 0.326 0.517 0.696 0.862 1.015 1.156
Tableau1-III : Représentation du gap, de l’affinité électronique et des bands offset.
(a)
NV
GaN In0.05Ga0.95 N
e χ1 = 3.8
Eg 1 = 3.4eV
ΔEc
ΔEV
e χ2 = 3.84
Eg 2= 3.26eV
EC
EV
(b)
NV
GaN In0.1Ga0.95 N
e χ1 = 3.8eV
Eg 1 = 3.4eV
ΔEc
ΔEV
e χ2 = 3.89eV
Eg 2= 3.12eV EC
EV
Eg 2=2.98eV
(c)
NV GaN In0.15Ga0.88 N
e χ1 = 3.8eV
Eg 1= 3.4eV
ΔEc
ΔEV
e χ2 = 3.9eV
EC
EV
Figure10-III: Variation du gap en fonction de la composition x.
(a) x égale à 0.05. (b) x égale à 0.1. (c) x égale à 0.15.
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III.3. Propriétés de la photopile solaire à base InxGa1-xN/ GaN :
III.3.1 Paramètres caractéristiques de la photopile solaire à base
InxGa1-xN/ GaN :
Ø La densité intrinsèque :
La densité de porteurs intrinsèques est donnée par la relation suivante [3]:
(T) =
Les densités équivalentes d’état sont données par [3]:
(T) = 2
(T) = 2
Avec (T) = 4.832
(T) = 4.832
Donc (T) = 4.832
La variation de la densité intrinsèque de l’InxGa1-xN en fonction de la température pour les
compositions d’alliages : x= 0.05, x= 0.1, x=0.12 est représentée sur le graphe (1-III).
Graphe1-III : Variation en fonction de la température des densités de porteurs
intrinsèque (T) pour une composition x=0.05, x=0.1, x=0.12
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
1E7
1E8
1E9
x=0.12
x=0.1
x=0.05
ni
ni (c
m-3)
1000/T(0k)
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Ø Le circuit équivalent :
Le circuit électrique équivalent d’une photopile solaire à jonction p-n est une diode en
parallèle avec un générateur de courant, il est représenté dans la figure (11-III) [3].
Ou :
IL : le courant d’illumination ;
Is : le courant de saturation ;
RL : la résistance de charge.
Ø Le courant de saturation :
Le courant de saturation est donné par l’équation (III-2) [3].
Nous avons pris les concentrations des donneurs et accepteurs dans les régions n et p comme
suit :
NA = 1.4 cm-3 , ND = 5 cm-3 et NC= 2 cm-3 , NV= 1 cm-3) [4].
(III-2)
Figure11-III : Circuit électrique équivalent d’une cellule solaire à jonction p-n [3].
IL
RL
Is ( )
I
v RL
h
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La représentation de la variation de la densité de courant de saturation de la photopile solaire
à différente température est montrée dans le graphe (2-III).
Ø Le coefficient de diffusion :
Le coefficient de diffusion est calculé par la relation suivante :
Avec et les mobilités des électrons et des trous respectivement.
(III-3)
(III-4)
Graphe2-III : La variation du courant de saturation en fonction de la température
pour les différentes compositions d’alliages : x= 0.05, x= 0.1, x=0.12.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0,00E+000
2,00E+015
4,00E+015
6,00E+015
8,00E+015
1,00E+016
1,20E+016
x=0.05
Is
coura
nt de s
atu
ration (
A)
1000/T(0k)
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0,00E+000
5,00E+016
1,00E+017
1,50E+017
2,00E+017
2,50E+017
3,00E+017
x=0.1
Is
coura
nt de s
atu
ration (
A)
1000/T(0k)
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0,00E+000
2,00E+017
4,00E+017
6,00E+017
8,00E+017
1,00E+018
x=0.12
Is
coura
nt de s
atu
ration (
A)
1000/T(0k)
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III.3.2 Etude de la photopile solaire à jonction PIN à multi-puits
quantiques InGaN/GaN:
Pour différentes concentrations x en Indium, nous avons calculé sur une structure PIN à multi-
puits quantiques, le courant de court circuit, la tension de court circuit, le facteur de forme et
le rendement.
Les valeurs obtenues sont regroupées dans le tableau suivant :
Concentration
x [%] 0 5 10 15 20
JSC [A/m2] 370.79 374.77 379.52 384.35 388.68
VOC [V] 1.700 1.680 1.660 1,653 1,637
Rendement
η [%] 53.40 51.53 48.79 47.44 44.87
Facteur de
forme 0.85 0.82 0,77 0.75 0,71
Tableau2-III : Représentation des paramètres de la photopile solaire à base de l’hétérostructure
InGaN/GaN
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Ø La tension de court circuit :
La tension de court circuit c’est la tension qui apparait aux bornes de la cellule quand le
courant est nul (I=0) c’est (Vco ).
L’expression de Vco est [3] :
Vco = ln ln
La variation de la tension de court-circuit de la photopile solaire en fonction de la
composition x en indium est représentée sur le graphe (3-III).
D’après le graphe (3-III), nous remarquons que la tension de court-circuit diminue avec
l’augmentation de la composition x en indium.
Ø Le courant de court circuit :
Le courant de court circuit ( ) correspond au courant de la cellule quand la tension à ses
bornes est nulle (V=0), ce courant est le photocourant .
(III-5)
Graphe 3-III : La variation de la tension de court-circuit en fonction de
la composition x en Indium.
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La variation du courant de court-circuit de la photopile solaire en fonction de la composition
x en indium est représentée sur le graphe (4-III).
Nous remarquons que le courant de court-circuit augmente avec l’augmentation de la
composition x en indium.
Ø La caractéristique I(V) :
Nous avons calculé la caractéristique I(V) de la cellule solaire.
Graphe4-III : La variation du courant de court-circuit en fonction de la
composition x en Indium.
Graphe5-III : La caractéristique I(V) de la photopile solaire InGaN/GaN
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Nous remarquons d’après le graphe (5-III), qu’en augmentant la composition x en indium, la
caractéristique décale vers les faibles voltages et le courant augmente en négative.
Ø La puissance:
La puissance est définie par la relation (III-7) [3] :
P = IV =
Nous remarquons que la puissance de la photopile solaire diminue avec l’augmentation de la
concentration x en indium.
(III-7)
Graphe6-III : Représentation de la puissance de la photopile solaire InGaN/GaN
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Ø Le facteur de forme :
Le facteur de forme est le rapport entre le produit sur le produit
FF =
La variation du facteur de forme en fonction de la composition x est représentée dans le
graphe (7-III).
Nous remarquons que le facteur de forme diminue avec l’augmentation de la composition x
en indium.
(III-8)
Graphe7-III : La variation du facteur de forme en fonction
de la composition x en Indium.
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Ø Le rendement :
Le rendement est un facteur très important, c’est le rapport entre la puissance électrique
maximale et la puissance du rayonnement solaire incident sur la cellule.
Il est défini par l’équation (III-9) [3] :
où Pm est défini comme le produit de Im Vm.
On remarque d’après le graphe (8-III), que le rendement de la photopile solaire à base de
l’hétérostructure InGaN/GaN diminue en fonction de la composition d’alliage.
Dans notre cas, nous sommes limités à des concentrations inférieures à 0.2 pour diminuer les
contraintes.
Le rendement de notre photopile est de ~ 40%.
(III-9)
Graphe8-III : Le rendement de la photopile solaire en fonction de la
composition x en Indium.
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III.4. Conclusion :
Il existe plusieurs structures pour la conception des photopiles. Dans notre travail nous avons
étudié la structure de la photopile solaire nanostructurée InxGa1-xN/GaN et les principaux
paramètres qui jouent un rôle important dans l’optimisation des propriétés de cette structure.
L’une des particularités de la photopile à base de l’hétérostructure InxGa1-xN/GaN est la
structure à multi-puits quantiques en tandem dont l’effet est d’augmenter le rendement.
La structure à multi-puits quantiques est composée de plusieurs couches :
- une jonction PIN est réalisée
- un substrat
- une couche de passivation
- des contacts métalliques
Cette structure est caractérisée par une contrainte et une polarisation. Le bon contrôle de la
polarisation et de la contrainte peut augmenter considérablement le rendement de la photopile.
70 Chapitre III Photopile solaire nanostructurée à base d’ N/ GaN
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III.5. Bibliographie :
[1] Optoélectronique.E.Rosencher et B.Vinter ( édition) Dunod, Paris (2002).
[2] Physique des semiconducteurs et des composants électroniques H.Mathieu( édition) Masson 1997.
[3] S. M. SZE, Kwok K.Ng, Physics of Semiconductor Devices, Third Edition.
[4] Nima Es’haghiGorji a, HosseinMovla b, FooziehSohrabi c, AhmadHosseinpour d,
Meisam Rezaei e, HassanBabaei c, The effects of recombination life time on efficiency and
J–V characteristics of InxGa1-xN/GaN quantum dot intermediate band solar cell, Pysica E42
(2010) 2353-2357.
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Chapitre IV
Applications des cellules solaires à base d’InGaN
IV.1. Introduction
IV.2. Avantages et inconvénients de la technologie photovoltaïque et de la photopile InGaN IV.3. Différentes applications
IV.3.1. Applications militaires
IV.3.2. Applications spatiales IV.3.3. Applications en milieux hostiles IV.3.4. Les concentrateurs
IV.4. Comparaison avec les cellules AlGaAs/GaAs IV.5. Conclusion
IV.6. Bibliographie
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IV.1. Introduction :
Notre étude est basée sur le développement d’une photopile solaire nanostructurée à base des
matériaux nitrures III-V InN, GaN et AlN. Ces photopiles sont utiles pour les applications
dans le domaine de l’infrarouge à l’ultraviolet.
Nous avons étudié la faisabilité de la photopile solaire à multi-puits quantiques
d’InxGa1-xN/GaN formant un Tandem de structures multicouches graduelles. Cette photopile
est caractérisée par une série de propriétés qui permettent d’augmenter considérablement le
rendement avec des compositions d’alliages différentes.
Dans ce chapitre nous allons étudier les applications des photopiles solaires à base d’InGaN.
Ces photopiles présentent un intérêt d’applications dans les domaines suivant: spatiales,
militaires, en milieu hostiles et dans les concentrateurs. Mais avant nous parlerons de
quelques avantages et inconvénient de ces photopiles solaires. Après, nous présentons une
comparaison avec d’autres types de photopiles solaires.
IV.2. Avantages et inconvénients de la technologie photovoltaïque et de
la photopile InGaN :
La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages :
ü une haute fiabilité, c’est pour cela qu’elles sont utilisées sur les satellites.
ü les panneaux photovoltaïques sont montés en module et nous pouvons les
dimensionnés pour plusieurs applications de puissances différentes.
ü les coûts de fonctionnement des cellules sont très faibles vu qu’elles ne demandent pas
beaucoup d’entretiens.
ü elle n’est pas polluante et est silencieuse.
ü c’est une source d’énergie gratuite.
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En plus cette technologie présente les inconvénients suivants :
ü La fabrication des cellules demande de la haute technologie et des couts élevés
ü Dans le cas ou on stocke l'énergie électrique dans des batteries, le coût de l'installation
photovoltaïque augmente, puisque l'électricité produite par la cellule solaire est
stockée pendant la journée dans des batteries qui nous donnent seulement un courant
continu. Mais pour faire fonctionner nos appareils nous devons convertir le courant
continu en courant alternatif, donc ce qui augmente le coût de ces panneaux solaires.
Dans notre étude nous avons utilisé les photopiles solaires à base d’InxGa1-xN. Ces photopiles
solaires présentent plusieurs avantages, elles permettent d’augmenter considérablement le
rendement puisqu’elles :
ü couvre une large gamme du spectre solaire allant de l’infrarouge à l’ultra-violet.
ü une très grande stabilité, la cellule est capable de fonctionner sur plusieurs années
puisque l’InGaN possède une large gamme de température de fonctionnement.
ü ont une très grande résistance aux perturbations extérieures voir même aux
rayonnements de hautes énergie.
ü les matériaux sont utilisés à l’échelle nanométrique, ce qui permet de minimiser la
quantité de matériaux utilisés.
ü utilise une structure à multi-puits quantiques en Tandem.
ü haute fiabilité.
Leurs inconvénients est la contrainte et la polarisation (spontanée et piézoélectrique) et le cout
élevé des matériaux utilisés, mais ces photopiles restent très utilisées dans les applications
spatiales et militaires puisqu’elles ne sont pas sensible aux conditions et agressions extérieurs
et peuvent fonctionner sur plusieurs années et ceci est obtenu par la stabilité des matériaux
qui constitue la photopile solaire.
Parmi les applications nous citons les applications militaires, spatiales et les concentrateurs.
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IV.3. Différentes applications :
Les performances et les rendements des cellules solaires à base des matériaux nitrures III-V
GaN, AlN et InN permettent plusieurs applications.
Ces applications reposent sur les points suivants :
ü Nécessité d’autonomie d’alimentation en énergie pour certaines applications (type
satellite) dont la connexion à un réseau électrique est impossible.
ü Assurer le fonctionnement pour des installations (type militaire) en cas de
déconnexion avec le réseau électrique et épuisement des dispositifs de secours comme
les groupes électrogènes avec un bon rendement.
ü Maintenir le fonctionnement des applications situées en zones hostiles, caractérisées
par un climat chaud (type désert).
Parmi les applications importantes, nous citons :
1- Applications militaires.
2- Applications spatiales.
3- Application au désert.
4- Application pour les concentrateurs.
IV.3.1. Applications militaires :
Les photopiles solaires nanostructurées à base de semiconducteurs nitrure sont utilisées dans
les applications militaires.
Les militaires utilisent des installations et des équipements de hautes performances, reliés
entre eux par un réseau de satellite.
Ces derniers doivent être alimentés en énergie avec un système à haut rendement et de grande
fiabilité, et ceci pour permettre :
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· Communication :
Les agences de renseignement utilisent des satellites très puissants de communication et
intercepte les informations circulant à travers les différents réseaux de communication
(téléphone mobile et fixe, internet, etc.…). Ces satellites de communication sont connus pour
être de grands consommateurs d’énergie.
· Navigation militaire :
Les militaires utilisent des systèmes de navigation très performants pour l’attaque et de
défense. La localisation des cibles se fait de manière électronique. La navigation militaire se
fait avec le GPS.
Les militaires utilisent des satellites pour permettre de :
- Détecter tout départ de missile de la terre
- Poursuivre sa trajectoire
- Déterminer s’il présente une menace
- Intercepter le missile par des systèmes LASER.
IV.3.2. Applications spatiales :
Nous utilisons ces photopiles dans l’espace parce qu’elles sont sensibles aux rayonnements.
Ces cellules sont intégrées aux satellites pour couvrir leurs besoins en énergie électrique ce
qui permet une autonomie puisque la connexion à un réseau électrique est impossible.
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Les photopiles solaires sont intégrées dans les bras des satellites pour permettre la
récupération du rayonnement solaire maximal en vue de l’obtention d’un maximum d’énergie.
Cette photo montre le module ATV qui se connecte à l’ISS (station spatiale internationale),
ce satellite est équipé de panneaux solaires.
Les applications spatiales sont très variées :
· Les télécommunications :
C’est le domaine le plus développé avec le téléphone mobile, l’internet et la télévision. Les
satellites de télécommunication sont de gros consommateur d’énergie. Ils ne doivent surtout
Figure IV-2 : Module ATV connecté à la Station orbital ISS[3].
Figure IV-1 : Une centrale photovoltaïque dans l’espace [2].
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pas tomber en panne car cela pour couter très cher aux fournisseurs d’accès internet, aux
moteurs de recherche et aux gros médias.
· Domaine météorologique :
Les données météorologiques sont indispensables à plusieurs secteurs, le transport,
l’agriculture, le tourisme. Les satellites de météo permettent d’observer les variations
météorologiques et de donner des prévisions de plus en plus précises.
· Le GPS :
Le GPS est longtemps resté comme application militaire, le GPS est devenu actuellement un
outil de navigation commercial et touristique.
IV.3.3. Applications en milieux hostiles :
Les déserts sont caractérisés par leurs superficies importantes et leurs conditions climatiques
rudes. Ces photopiles solaires peuvent être intégrer dans certaines installations (station météo,
relais de transmission) pour subvenir à leurs besoins.
Figure IV-3 : Navstar -2 satellite du système de positionnement GPS [4].
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IV.3.4. Les concentrateurs :
Les concentrateurs produisent de l’électricité à partir de l’énergie solaire, les températures
peuvent être assez élevées et les rendements élevés. Ce système utilise une parabole ou la
lumière est concentrée.
Les concentrateurs utilisent des éléments optiques tels que des lentilles de Fresnel, ou des
miroirs paraboliques pour concentrer le rayonnement solaire sur les panneaux photovoltaïque
de petite dimension. Ce dispositif est illustré dans la figure (VI-4).
Ces cellules solaires sont à base de matériaux InGAN.
Figure VI-4: Représentation d’un dispositif à concentrateur [5].
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La figure (IV-5) illustre un concentrateur optique qui intègre des miroirs et la figure (IV-6) un
concentrateur avec lentille de Fresnel.
Figure VI-5 : Dispositif photovoltaïque de concentrateur optique intégrant des miroirs paraboliques [6].
Figure VI-6 : Dispositif photovoltaïque à concentration avec lentille de Fresnel [7].
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IV.4. Comparaison avec les cellules AlGaAs/GaAs :
Les cellules à base d’AlGaAs/GaAs sont également employées dans les panneaux solaires
des satellites ou sur des systèmes à concentrateurs, ces cellules Tandem arrivent à atteindre
des rendements assez élevés.
Cependant ces photopiles sont très chères, parce que leurs techniques de fabrication sont
sophistiquées (épitaxie par jet moléculaires ou M.B.E) et elles sont très sensibles aux
conditions et agressions extérieures d’où un vieillissement accéléré.
Ces cellules sont remplacées par l’InGaN/GaN parce qu’il présente des propriétés
intéressantes et uniques. L’InGaN est un matériau qui résiste aux agressions et aux hautes
températures d’où la cellule solaire a une durée de vie plus longue. En plus il a un gap direct
qui varie de 0.7eV à 4.3 eV.
IV.5. Conclusion :
Dans ce chapitre, nous avons présenté les différents domaines d'applications des photopiles
solaires nanostructurées à base de l’hétérostructure InxGa1-xN/GaN.
Ces photopiles offrent une série de caractéristiques à comparées avec les autres photopiles :
ü une large gamme du spectre solaire allant de l’infrarouge à l’ultra-violet ;
ü une très grande stabilité ;
ü très grande résistance aux perturbations extérieures
ü Fonctionnement à haute température.
Ces caractéristiques permettent aux photopiles InGaN d'être utilisées dans des applications tel
que:
ü Applications militaires
ü Applications spatiales
ü Concentrateurs
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Par la suite, nous avons cité quelques avantages et inconvénients de ces photopiles. Nous
avons aussi fait une comparaison entre les photopiles solaires nanostructurées à base de
semiconducteurs nitrure III-V InxGa1-xN/GaN et ceux à base de AlGaAs/GaAs.
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IV.6. Bibliographie :
[1] Applications des satellites, wikipedia, http://fr.wikipedia.org/wiki/Applications_des_satellites
[2] Source NASA, extrait du document : LES ENERGIES RENOUVELABLES
La production photovoltaïque d’électricité, Bernard FONTAINE Juillet 2009.
[3] Source : l’ISS © Esa–D. Ducros, 2005 Arrivée de l’ATV vers l’ISS,
http://www.docsciences.fr/IMG/pdf/DS2-03_Rendez-vous_sous_les_etoiles.pdf.
[4] Source Satellite artificiel http://fr.wikipedia.org/wiki/Satellite_artificiel. [5] Connaissance des énergies, solaire photovoltaïque à concentration http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/solaire-photovoltaique-a-concentration [6] Fiche pédagogique/ solaire-photovoltaïque-a-concentration http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/solaire-photovoltaique-a-concentration. [7] Fiche pédagogique/ solaire-photovoltaïque-a-concentration http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/solaire-photovoltaique-a-concentration.
Conclusion 83
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Conclusion
Dans ce travail nous avons étudié la faisabilité des photopiles solaires nanostructurées à puits
quantiques à base de semi-conducteurs nitrures III-V InxGa1-xN/GaN, où le puits quantique
est formé par l’alliage ternaire InxGa1-xN alors que la barrière est formée par le composé
binaire GaN.
Notre choix est porté sur ces photopiles solaires nanostructurées à puits quantiques car elles
présentent plusieurs avantages :
ü Couvre une large gamme du spectre solaire allant de l’ultra-violet (EG=3.4eV pour
GaN) jusqu’à l’infra-rouge (EG=0.7eV pour InN).
ü On peut travailler avec des hétérostructures de type I
ü Utilisation de la structure Tandem
ü Rendement élevé
Nous avons d’abord étudié les propriétés de ces composés binaires GaN et InN et leur alliage
ternaire InxGa1-xN.
Nous nous sommes intéressés aux propriétés structurales et de bandes de ces matériaux, nous
avons étudié la variation de l’énergie, l’accord de maille avec le substrat.
Nous avons étudié les effets de contraintes sur cette hétérostructure.
Nous avons également traité, les différentes propriétés de cette hétérostructure nanométrique
dans la gamme de composition en In <20%. L’hétérostructure est de type I, Ceci permet un
meilleur confinement des électrons et des trous.
Conclusion 84
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Les composés GaN et InN sont caractérisés par des paramètres de maille différents, il en
résulte que le puits de l’InxGa1-xN sera sous compression dans l’hétérostructure
InxGa1-xN/GaN.
Nous avons ensuite procédé à l’optimisation des paramètres principaux de la photopile
solaire : la caractéristique I(V), le rendement et le facteur de forme. Le rendement est de 40%.
La réalisation d’une telle structure a permis l’amélioration du rendement et cela pour diverses
applications telles que :
ü Les applications militaires
ü Les applications spatiales
ü Les applications en milieux hostiles
ü Les concentrateurs
Résumé
Dans ce travail, nous procédons à une étude d’optimisation dephotopiles solaires nanostructurées à base de semi-conducteurs nitruresIII-V InxGa1-xN/GaN. InxGa1-xN/GaN présente plusieurs avantagespermettant d’augmenter le rendement des photopiles : il couvre unelarge gamme du spectre solaire allant de l’ultra-violet (EG=3.4eV pourGaN) jusqu’à l’infra-rouge (EG=0.7eV pour InN). Ces photopiles ontune très grande stabilité et une très grande résistance aux perturbationsextérieures. Notre objectif dans ce travail est d’optimiser la conceptionet la composition d’alliage en utilisant la contrainte, la polarisation et lastructure Tandem, où un empilement de plusieurs couches de matériauxà gap décroissant, permet d’augmenter considérablement le rendementavec des compositions d’alliages différentes. A cet effet nous procédonsà une étude détaillée de l’ensemble des propriétés de l’hétérostructureInxGa1-xN/GaN. Dans le chapitre I, nous présentons le principe defonctionnement d’une photopile solaire et énumérons les différentsmatériaux, structures et technologies de photopiles solaires. Dans lechapitre II, nous commençons par décrire les propriétés des matériauxbinaires GaN, InN, AlN ainsi que leurs alliages ternaires InGaN,AlGaN, AlInN. Nous abordons ensuite les propriétés del’hétérostructure InxGa1-xN/GaN, en considérant les effets de lapolarisation (spontanée et piézoélectrique) qui se traduisent parl’apparition d’un champ électrique interne. Dans le chapitre III, nousprésentons la structure adéquate de notre photopile solaire à base depuits quantiques InxGa1-xN/GaN et nous optimisons les paramètresfondamentaux de ces photopiles solaire: caractéristique I(V), rendementet puissance. Dans le chapitre IV, nous présentons les différentesapplications des photopiles solaires qui intéressent. Il s’agitspécialement des applications militaires, spatiales et les concentrateurs.
Mots Clés:
Cellules photovoltaïques; Nanostructures; InxGa1-xN; GaN; AlN; InN
Contrainte; Polarisation; l’Hétérostructure InxGa1-xN/GaN,