Etude de Photopiles Solaires nanostructurées à base de ... · quantique dans la gamme de composition en Indium < 20%, et nous traitons les effets de la polarisation. Le troisième

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

________

UNIVERSITÉ D’ORAN

FACULTÉ DES SCIENCES DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

_______

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


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


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


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



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.



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)



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



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)



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].



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].



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]



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].



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.



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.



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].



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.



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



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



- 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



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



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.



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

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

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



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).



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



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



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



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].



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)



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



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.



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



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


(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)




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)


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)



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


(II-9-a)

(II-8-b)

(II-9-b)



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)


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



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

)


(II-12-a)

(II-13-a) (II-14-a)

(II-12-b)

(II-13-b)

(II-14-b)



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


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)


(II-15-a)

(II-16)

(II-15-b)



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)


Graphe II-15: Variation des masses effectives de l’ InxAl1-xN en fonction de

la composition x de l’alliage.



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

)




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


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


(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

)




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.



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





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).





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)





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





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.





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].





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.





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





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





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





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.





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)





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





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)





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





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.





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





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





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.





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.





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.





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.

71

Chapitre IV Applications des cellules solaires à base d’InGaN


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

72



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.

73



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.

74



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 :

75



· 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.

76



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].

77



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].

78



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].

79



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].

80



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

81



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.

82



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


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


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,

Documents

Etude de Photopiles Solaires nanostructurées à base de ... · quantique dans la gamme de composition en Indium < 20%, et nous traitons les effets de la polarisation. Le troisième