Embed Size (px)
Citation preview
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Matériaux pour l'électrotechniqueChapitre 7: Propriétés électrique et électroniques des
matériaux (Jonctions PN)
Mohamed Mebrouki
ESSA Tlemcen
17 avril 2018
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Transport des porteurs de charge dans un semiconducteur :
1. Les porteurs de charges se déplacent dans un semiconducteur selondeux mécanismes de transport :
1 Di�usion : a lieu en présence d'un gradient de concentration.2 Dérive : a lieu en présence d'un champ électrique.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Di�usion des porteurs de charge dans un semiconducteur :
2. Sur la �gure ci-dessous la densité des particules est plus élevée à
droite qu'à gauche.
3. En d'autres termes, un gradient de densité est présent allant de
droite vers la gauche.
4. Le �ux de particules se déplaçant de manière aléatoire sera plus élevé
du volume de forte densité à droite vers le volume de faible densité à
gauche, alors qu'il est faible dans le sens inverse.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Di�usion des porteurs de charge dans un semiconducteur :
5. Il y aura donc un mouvement net de particules jusqu'à ce que la
densité soit uniformément répartie dans tout le volume.
6. Une fois la densité (concentration) des particules dans tout le volume
est uniforme (le nombre de particules est le même en tout volume
in�nitésimal), le gradient de concentration disparait, donc pas de
mouvement net de particules par di�usion.
7. L'intensité du courant par unité de surface je induit par le gradient
de densité de particulesdn
dxdans la direction x (n est la densité des
particules) est donné par la loi de di�usion de Fick :
Je = q De
dn
dx
où q la charge élémentaire, De le coe�cient de di�usion des
électrons (une caractéristique du matériau).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Di�usion des porteurs de charge dans un semiconducteur :
8. La même équation est valable pour le mouvement de trous, sauf que
le sens du �ux des trous Jh change puisque Je dépend du signe de la
charge q qui est positif pour un trou et négatif pour un électron !
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Dérive des porteurs de charge dans un semiconducteur :
1. Les particules chargées comme les électrons (trous) peuvent
également se déplacer sous l'in�uence d'un champ électrique ~E : les
trous dans la direction du champ électrique alors que les électrons
dans le sens opposé.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Dérive des porteurs de charge dans un semiconducteur :
2. La densité de courant électronique induite par ce champ électrique
est donnée par
Jh = p q µh E
pour les trous et
Je = n q µe E
pour les électrons, où p(n) est la densité des porteurs de charge (n
pour les électrons et p pour les trous), q la charge du porteur de
charge, µh(e) est dite la constante de mobilité du porteur de
charge et E le module du champ électrique.
3. La présence d'un champ électrique peut également être représentée
dans un diagramme de bande électronique.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Dérive des porteurs de charge dans un semiconducteur :
4. Sur la �gure ci-dessus, les bandes de valence et de conduction sont
représentées par deux rectangles déformés sur leurs longueurs à cause
de la présence d'un champ électrique.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Dérive des porteurs de charge dans un semiconducteur :
5. En e�et, la présence d'un champ électrique induit une pente
positive sur les bandes de valence et de conduction.
6. Il est important de se rappeler que les électrons excités dans la bande
de conduction par un champ électrique redescendent (au moyenne)
toujours vers le bas de la pente de la bande de conduction lorsqu'une
pente est présente (une fois que le champ électrique cesse d'exister) ;
les trous, quant à eux, vont toujours remonter (en moyenne) la pente
dans la bande de valence.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Recombinaison :
1. Si un électron excité (par de la lumière ou autre) et un trou se
rencontrent par un quelconque mécanisme, ceux-ci vont être
capables, avec une forte probabilité, de se recombiner, c'est à dire
que l'électron dans la bande de conduction rejoint le trou dans la
bande de valence tout en perdant leurs mobilités respectives (état de
liberté) (voir la �gure ci-dessous).
2. En d'autres termes, l'électron après recombinaison avec le trou n'est
plus libre et sera de nouveau collé au réseau cristallin dans une
orbitale moléculaire (il sera dans un état lié !)
3. Trois types de mécanismes de recombinaison peuvent avoir lieu
dans un semiconducteur :Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Recombinaison radiative :
1. Un électron et un trou se recombinent ensemble et l'énergie libérée
pendant ce processus est émise sous forme d'un photon (voir �gure
ci-dessous)
2. Comme le passage d'un électron de la bande de conduction vers la
bande de valence coûte au moins l'énergie de la bande interdite, la
recombinaison radiative émettra un photon avec une énergie
supérieure ou égale à l'énergie de la bande interdite.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Recombinaison d'Auger :
1. L'énergie libérée par recombinaison d'une paire électron-trou est
transférée à un électron libre voisin dans la bande de conduction qui
sera excité à un niveau d'énergie plus élevé dans la bande de
conduction (voir �gure ci-dessous).
2. Celui-ci va redescendre de nouveau vers un niveau plus bas dans la
bande de conduction et perdra ainsi son énergie sous forme de
chaleur au pro�t du réseau cristallin du semi-conducteur.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Recombinaison de Shockley-Read-Hall (SRH) :
1. Comme d'autres types de matériaux, les semi-conducteurs peuvent
contenir di�érents types de défauts dans leur réseau cristallin.
2. Ces défauts (atome de type di�érent ou autres !) peuvent introduire
des états d'énergie dans dans la bande interdite, comme c'était par
exemple le cas du dopage avec les états donneurs et accepteurs.
3. Ainsi, un électron peut être avec une forte probabilité piégé dans un
tel état de défaut et peut toujours se recombiner avec un trou libre
au voisinage (voir la �gure ci-dessous) (en émettant un photon
d'énergie inférieure à l'énergie de la bande interdite).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Durée de vie des porteurs de charge :
1. Les mécanismes de perte de charges (électrons libres et trous) à
l'instar des processus de recombinaison déterminent la durée de vie
(en anglais : lifetime) de ces porteurs de charge.
2. Si la vitesse de recombinaison est élevée, la durée de vie des porteurs
de charge sera courte.
3. On dé�nit une longueur de di�usion (Lh pour un trou et Le pour un
électron) comme la distance moyenne sur laquelle les porteurs de
charge excités peuvent se déplacer avant de se recombiner (voir la
�gure ci-dessous)
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Durée de vie des porteurs de charge :
4. la longueur de di�usion détermine en quelque sorte la distance sur
laquelle un électron libre ou un trou libre sont toujours en vie
avant de se coller l'un à l'autre et perdent leur liberté de se déplacer
(ils deviennent liés).
5. Si le taux (en anglais : rate) ou la vitesse de recombinaison était
élevée, la longueur de di�usion (Lh(Le)) sera plus courte et
vice-versa.
6. En e�et, la longueur de di�usion est liée à la durée de vie des
porteurs de charge libres par la relation relativement simple suivante :
Le(h) =√De(h) τe(h)
où De(h) est le coe�cient de di�usion des électrons (trous) et τe(h) ladurée de vie des électrons (trous) libres.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Durée de vie des porteurs de charge :
7. Sur la �gure ci-dessous, on a représenté (à gauche) les trous
(porteurs de charge majoritaires) par des points en bleu alors que
les électrons (porteurs de charge minoritaires) sont en rouge
(semiconducteur de type p).
8. Les trous libres ont une in�me probabilité de rencontrer sur leur
chemin un électron libre ce qui fait que la vitesse (le taux) de
recombinaison pour les trous est petite.Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Durée de vie des porteurs de charge :
9. D'autre part, les électrons libres (dans la bande de conduction) ont
une forte probabilité de rencontrer un trou libre (dans la bande de
valence), car la densité des trous est de plusieurs ordres de grandeur
plus grande que celle des électrons libres.
10. Cela signi�e que la vitesse de recombinaison des électrons sera plus
élevée, et partant, la longueur de di�usion des électrons Le sera plus
courte que celle des trous Lh
Le =√De τe < Lh
11. Maintenant, si le même matériau semiconducteur était dopé n, les
électrons ( points rouges) seraient les porteurs de charge
majoritaires, et les trous ( points bleus) les porteurs de charges
minoritaires.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Durée de vie des porteurs de charge :
12. Cette fois-ci, les électrons libres auront une in�me probabilité de
rencontrer des trous libres et donc la vitesse de recombinaison est
faible.
13. D'autre part, les trous ont une probabilité élevée de rencontrer l'un
des électrons puisque la densité électronique est de plusieurs ordres
de grandeur plus élevée.
14. Cela signi�e que la vitesse de recombinaison des trous est élevée, et
par conséquent, la longueur de di�usion des trous, Lh, sera plus
courte que celle des électrons, Le .
Lh =√Dh τh < Le
15. Il est donc clair que les porteurs de charges minoritaires, dans un
matériau dopé, ont une longueur de di�usion plus courte par rapport
à la longueur de di�usion des porteurs de charge majoritaires.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
1. La mise en contact de deux pièces d'un semi-conducteur de type n
avec une autre de type p donne une jonction p-n.
2. Considérons le cas où cette jonction est dans l'obscurité à
l'équilibre thermique.
3. Sur la moitié gauche de la jonction (région p) les trous sont
majoritaires alors que les électrons sont majoritaires dans la moitié à
droite de la jonction ( région n).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
4. Un gradient de concentration existe dans la jonction puisque la
densité de trous dans la région de type n est plus petite que celle
dans la région de type p.
5. Aussi, la densité d'électrons dans la région de type p est plus petite
que celle dans la région de type n, ce qui entrainera un phénomène
de di�usion entre les deux régions de la jonction.
6. Pendant le processus de di�usion les électrons passeront d'une région
de forte densité d'électrons ( type n) vers une région de faible densité
d'électrons (type p), jusqu'à ce que le nombre d'électrons soit le
même en tout point dans la jonction.Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
7. De même, les trous di�useront de la région de type p vers la région
de type n jusqu'à ce que le nombre de trous dans les deux régions
soit le même.
8. Malgré cela, les deux régions de la jonction ne sont pas neutres,
puisque, en plus des électrons et trous libres, il existe encore des ions
positifs �xes (atomes donneurs d'électrons) dans la région n, et des
ions négatifs �xes (atomes accepteurs d'électrons) dans la région p
9. Cette situation là est à l'origine d'un champ électrique intense
pointant de la région n vers la région p.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
10. Ce champ électrique va forcément pousser les trous à retourner dans
la région p et les électrons à retourner dans la région n.
11. En pratique, à l'interface entre les régions p et n de la jonction,
seulement quelques trous vont di�user vers la région n et quelques
électrons vont di�user vers la région p.
12. Mais puisque la longueur de di�usion des trous dans la région n est
très courte (les trous sont minoritaires), ils vont sitôt recombiner
avec un électron libre dans la région n.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
13. De même, les électrons minoritaires dans la région p (leur longueur
de di�usion est très courte dans cette région) vont sitôt recombiner
avec des trous libres dans la région p.
14. Ce processus a lieu sur une très courte distance autour de l'interface
où les porteurs de charge sont recombinés (essuyés, en anglais :
wiped out) : pas de charges libres dans cette zone.
15. Les seules charges qui existent dans cette région sont bien les ions
�xés au réseau cristallin (négatifs dans p et positifs dans n)
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
16. Cette région est dite : région des charges du réseau ( en anglais :
space charge region).
17. On l'appelle aussi région de dépletion ( région évacuée de
charges mobiles !).
18. Dans cet exemple, la partie de la zone de dépletion dans la région p
est chargée négativement, alors que celle dans la région n est chargée
positivement.
19. Cela crée un champ électrique allant de la région n vers la région p,
créant ainsi un mouvement de charges dans le sens inverse de la
di�usion.
20. En e�et, le champ électrique dans la région de dépletion va obliger
les porteurs de charge minoritaires dans la région p ( les électrons) à
se mouvoir vers la région n.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
C'est quoi une jonction p-n ?
21. De même, il va obliger les trous dans la région n là où ils sont
minoritaires à se déplacer vers la région p.
22. On arrive à une situation où les deux mécanismes de transport dans
la région de dépletion auront des e�ets balancés l'un par l'autre sur
les porteurs de charge.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (di�usion) :
1. La densité de courant de di�usion des électrons je est gouvernée par
le gradient de densité qui n'est autre que la densité d'électrons dans
la région n moins la densité d'électrons dans la région p.
jn = q De
dn
dx
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (di�usion) :
2. Puisque les électrons sont les porteurs de charge minoritaires dans la
région p, le gradient de densité est totalement déterminé par la
densité des électrons majoritaires dans la région n. Ceci est aussi
vraie pour les trous.
3. La densité de courant de di�usion des trous jh est gouvernée par le
gradient de densité qui n'est autre que la densité de trous dans la
région p moins la densité d'électrons dans la région n.
jh = q Dh
dp
dx
4. Puisque les trous sont les porteurs de charge minoritaires dans la
région n, le gradient de densité est totalement déterminé par la
densité des trous majoritaires dans la région p.
5. En d'autres termes, la di�usion est contrôlée par les charges
majoritaires dans chaque région.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (di�usion) :
6. Il est important de savoir qu'il est possible de changer la densité du
courant de di�usion Je(h) de deux manières : soit augmenter la
densité des charges majoritaires dp(dn), soit changer la longueur de
la zone de dépletion dx (en appliquant par exemple un tension de
polarisation (en anglais : voltage bias) à la jonction).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (dérive) :
1. Contrairement à la di�usion, qui est contrôlée par les porteurs de
charges majoritaires, le mécanisme de dérive (mouvement des
charges sous l'e�et d'un champ électrique) est contrôlé par les
porteurs de charge minoritaires, pendant lequel le champ électrique
pousse les électrons (minoritaires dans la région p) à passer dans la
région n et les trous (minoritaires dans la région n) à passer dans la
région p (voir les �gure ci-dessous), avec :
Je = n qeµe E et Jh = p qhµh E
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (dérive) :
2. Selon ces deux équations il serait donc possible d'augmenter la
densité du courant de dérive Je(h) en augmentant soit la valeur la
densité de charges minoritaires p(n) dans chaque région, soit
l'intensité du champ électrique dans la région de dépletion E .
3. Dans cet exemple, les densités de courant sont en équilibre puisque
la jonction p − n est à l'équilibre thermique.
4. En e�et, si nous connectons la jonction p-n à un circuit électrique
(voir �gure ci-dessus), aucun courant électrique ne circulera dans le
circuit à partir de la jonction, puisque le champ électrique E dans la
région de dépletion va créer une tension intégrée ( built-in voltage).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (bandes d'énergie et niveau de Fermi) :
1. Il est important de savoir que la position des niveaux de Fermi
par rapport aux bandes de conduction et de valence ne change
pas.
2. Ce sont plutôt les bandes de valence et de conduction dans la région
n qui se déplaceront vers le bas a�n de ramener les deux niveau de
Fermi EF à la même position.Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (bandes d'énergie et niveau de Fermi) :
3. En e�et, il est possible de comparer le niveau de Fermi dans la
jonction p-n à l'équilibre thermique à un niveau d'eau dans un
réservoir contenant deux compartiments séparés par une barrière.
4. Le compartiment à droite est plein (comparé à la région n) alors que
celui à gauche est presque vide (comparé à la région p).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (bandes d'énergie et niveau de Fermi) :
5. C'est l'analogue de la situation qui existe dans la jonction p-n : le
niveau de Fermi dans la région p est proche de la bande valence (très
bas) alors que le niveau de Fermi dans la région n est plus proche de
bande conduction (très haut).
6. Si maintenant on enlève la barrière, l'eau coulera entre les deux
compartiments avec un courant d'eau jusqu'à ce que le niveau d'eau
dans les deux compartiments soit le même.
7. La même chose a lieu (pas vraiment !) pour que les deux niveaux de
Fermi dans chaque région de la jonction soient égalisés (de même
énergie).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (bandes d'énergie et niveau de Fermi) :
8. Par conséquent, les deux bandes (de valence et de conduction)
seront inclinées dans la zone de dépletion avec une pente positive
allant de la région n vers p.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (bandes d'énergie et niveau de Fermi) :
9. Rappelons qu'une pente dans un diagramme de bande électronique
indique la présence d'un champ électrique dans la région de la pente
(ici la zone de dépletion), et qui s'écrit sous la forme :
E = q Vbi
où q est la charge du porteur de charge (électron ou trou) et Vbi la
valeur de la tension intégrée ( built-in voltage) dans la zone de
dépletion.Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Mécanismes de transport (bandes d'énergie et niveau de Fermi) :
10. Cette pente dans la zone de dépletion va faire en sorte que les
électrons minoritaires se déplaceront de la région p vers la région n
(dans la bande de conduction !), alors que les trous minoritaires dans
la région n vont remonter vers la région p (dans la bande de
valence !).
11. Rappelons encore une fois que la jonction p-n est dans l'obscurité et
à l'équilibre thermique, c qui signi�e que les mécanisme de di�usion
et de dérive (drift) sont en balance.
12. On peut manipuler cet équilibre (les mécanismes de di�usion et de
dérive sont en balance) soit en appliquant une tension de polarisation
(bias voltage) à la jonction p-n, soit en éclairant la jonction p-n a�n
d'augmenter les densités de porteurs de charge minoritaires.
13. Dans ce dernier cas, on aurait créé une cellule solaire.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
1. Il est possible de perturber l'équilibre thermique de la jonction en
appliquant soit une tension de polarisation (bias voltage) soit en
l'éclairant avec de la lumière.
2. Mais commençons tout d'abord par appliquer une tension de
polarisation directe (en anglais : forward bias voltage) sur une
jonction p-n dans l'obscurité avec des �ls et des contacts (avec la
jonction) hautement conducteurs.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
3. Cela signi�e que la tension est plus positive du coté p que du côté n
de la jonction.
4. Un champ électrique (représenté par une �èche en vert) est donc
créé dans la zone de dépletion de grande résistivité électrique à cause
du champ électrique (représenté par une �èche en noir) dû à la
tension intégrée (built-in voltage) déjà présent.
5. Puisque les deux champs électriques sont dans deux sens opposés, le
champ e�ectif (dû à la superposition des deux champs électriques et
représenté par une �èche en noir moins longue) qui apparait sera
moins intense.
6. Par conséquent, la largeur de la zone de dépletion devient beaucoup
plus étroite, elle aussi.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
7. Ainsi, le mécanisme de di�usion devient plus dominant que le
mécanisme de dérive (drift), puisque, d'une part, la largeur de la
zone de dépletion est réduite ( dx est petit) et donc les gradients de
densitédn
dxet
dp
dxdeviennent plus grandes ce qui fait que la densité
de courant électrique liée à la di�usion devient beaucoup plus grande
(indiquée par de longues �èches sur la �gure).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
8. D'autre part, le champ électrique E est réduit, ce qui signi�e que les
densités de courant liées au transport par dérive (drift) deviennent
légèrement plus petites (indiquées par des �èches moins longues).
9. On notera que l'e�et du �ux accru de di�usion des porteurs de
charge entre les deux régions p et n de la jonction est beaucoup plus
important que le petit changement dans le �ux des porteurs de
charge causé par un mécanisme de dérive (e�et d'un champ
électrique sur les charges).
10. Ainsi, en appliquant une tension de polarisation directe aux bornes
d'un jonction p-n dans l'obscurité, on génère un courant électrique
net à travers la zone de dépletion, et partant dans le circuit
électrique fermé.
11. En e�et, plus d'électrons passeront par di�usion (de la région n vers
la région p) que par dérive (de la région p vers la région n).
12. Aussi, plus de trous passeront par di�usion (de la région p vers la
région n) que par dérive (de la région n vers la région p).Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
13. Le courant électrique produit dans la jonction sera ensuite colporté
par des électrons mobiles (et non pas par des trous mobiles !) dans
les �ls en métal.
14. Ces électrons se déplacent à travers le circuit électrique du côté p
vers le côté n, où ils sont injectés à nouveau dans la région n (voir
�gure ci-dessous).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
15. L'application d'une polarisation directe sur la jonction p − n peut
être illustrée à l'aide du diagramme électronique de bande d'une
jonction p-n (voir �gure ci-dessous).
16. On voit bien sur la �gure de droite que la tension de polarisation
directe (forward bias voltage) a pour e�et de réduire le champ
électrique dans la zone de dépletion, et donc des pentes moins raides
des bandes de valence et de conduction à travers la zone de
dépletion.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
17. La jonction p-n n'est plus en équilibre et le niveau de Fermi n'est pas
le même à travers toute la jonction.
18. Il en résulte une séparation du niveau de Fermi dans la zone de
dépletion en deux quasi niveaux de Fermi : le niveau supérieur
représentant la population d'électrons alors que le niveau inférieur
représente la population de trous.
19. A l'équilibre, ces distributions sont représentées et liées entre elles
par la fonction de Fermi-Dirac comme discuté auparavant.
20. Cependant, en appliquant une polarisation directe sur la jonction p-n,
le système n'est plus en équilibre et les populations des trous et
d'électrons deviennent plus complexes.
21. L'écart d'énergie entre les deux quasi-niveaux de Fermi est q V , où q
est la charge d'un porteur de charge (électron ou trou) et V la
tension de polarisation directe (forward bias voltage) appliquée à la
jonction.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation directe à la jonction p-n :
22. Rappelons encore une fois que le transport des porteurs de charge
par dérive est moins important à cause du du champ électrique
réduit, contrairement au transport par di�usion qui est favorisé à
cause de la réduction de la zone de dépletion.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation inverse à la jonction p-n :
1. Mais que se passe-t-il si maintenant on inverse les bornes de la
source de tension (tension de polarisation inverse) à laquelle est
attachée la jonction p-n (toujours à l'obscurité) ?
2. Sur la �gure à gauche on montre une jonction p-n soumise à une
tension de polarisation inverse (la tension enp est plus négative qu'en
n).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation inverse à la jonction p-n :
3. Cette tension électrique va créer dans la zone de dépletion un champ
électrique (indiqué par une �èche verte) dans le même sens que le
champ électrique intégré (indiqué par une �èche noire) ou de dérive
(built-in electric �eld) déjà existant dans cette zone.
4. L'intensité du champ électrique e�ectif (total) dans la zone de
dépletion a donc augmenté.
5. Par conséquence, la largeur de la zone de dépletion devient beaucoup
plus large (voir �gure ci-dessous), ce qui aura un e�et contraire sur
l'équilibre entre les deux mécanismes de transport des porteurs de
charges : la di�usion et la dérive.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation inverse à la jonction p-n :
6. En e�et, les deux gradients de densitédn
dxet
dp
dxdeviennent de plus
en plus petits, puisque dx est devenu plus grand.
7. La densité de courant liée à la di�usion des porteurs de charges
(électrons et trous) est donc réduite.
8. Par contre, le transport par dérive s'est amélioré, puisque l'intensité
du champ électrique E dans la zone de dépletion a, dans ce cas,
augmenté et la densité du courant de dérive l'emporte sur la densité
du courant de di�usion.
9. Mais comme la densité du courant par dérive est déterminée par
la densité des porteurs de charge minoritaires dans les régions p et
n, le courant net total sera extrêmement faible.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Application d'une tension de polarisation inverse à la jonction p-n :
10. En e�et, au moyenne un électron minoritaire dans la région p
traversera la région de dépletion vers la région n où il va être attiré
par la borne positive de la tension appliquée, ce qui lui permet de se
réinjecter dans la région p de la jonction, et un courant électrique
très faible circulera donc dans le circuit électrique.
11. En résumé, on peut dire qu'une jonction p-n dans l'obscurité soumise
à une tension de polarisation directe est capable de produire un
courant électrique relativement grand (conductance élevée).
12. La même jonction p-n soumise à une tension de polarisation inverse
ne peut générer qu'un courant électrique très faible (conductance
faible). Un tel dispositif est appelé diode.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
1. Enlevons maintenant la source de tension attachée à la jonction p-n
tout en gardant à sa place le �l conducteur reliant les régions p et n
de la jonction et éclairons-la du coté p avec de la lumière (voir �gure
ci-dessous).
2. Pour le moment, nous supposons que la jonction p-n peut absorber
la lumière aussi bien dans la région p que dans la région n.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
3. L'absorption d'un photon par la jonction génère des paires
électron-trou.
4. Il est important de rappeler à ce stade que l'absorption de la lumière
par des matériaux semi-conducteurs dopés n'a�ecte que les densités
de leurs porteurs de charge minoritaires.
5. Ainsi, les porteurs de charge excités par la lumière contribuent à une
augmentation signi�cative de la densité des électrons n dans la
région p et des trous p dans la région n. Selon les équations de la
densité de courants dû au champ électrique ci dessous
Je = n qµe E et Jh = p qµh E
l'augmentation des densités n et p fait augmenter Je et Jh (densités
de courant de dérive) dans la zone de dépletion, comme indiqué par
de longues �èches (voir �gure ci-après).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
6. Ainsi, sous l'e�et du champ électrique intégré dans la zone de
dépletion, un nombre très grand d'électrons passent de la région p
vers la région n mais aussi un nombre très grand de trous passent de
la région n vers la région p.
7. La densité de courant liée à la dérive peut être facilement accrue de
plusieurs ordres de grandeur sous illumination (éclairement) par
rapport à ce qui se passe dans une jonction p-n dans l'obscurité.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
8. C'est ainsi qu'en illuminant une jonction p-n, il est possible de
produire un courant électrique.
9. C'est là donc le principe de fonctionnement d'une cellule solaire à
base d'une jonction p-n.
10. Rappelons que les deux régions p et n sont reliées entre elles par un
�l métallique (bon conducteur) : on dit que la jonction p-n est
court-circuitée.
11. Dans ce cas, la jonction p-n éclairée produira seulement un courant
électrique (pas de tension électrique), appelé courant de
court-circuit (en anglais : short-circuit current) de la cellule solaire.
12. Au moyenne, un électron minoritaire dans p se déplace sous l'e�et du
champ électrique dans la zone de dépletion vers la région n puis
di�use vers le contact métallique où il va être attiré par la région p.
13. Une fois dans la région p , l'électron se recombine rapidement avec
un trou libre majoritaire dans p.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
14. De même, les trous minoritaires dans la région n se déplacent sous le
même champ électrique dans la zone de dépletion vers la région p
puis di�usent au contact arrière pour se recombiner avec les
électrons.
15. Cependant, si on ouvre le circuit aucun courant ne pourra circuler et
le courant de dérive des porteurs de charge excités par la lumière fait
en sorte que la région p se chargera positivement avec plus de trous
et la région n se chargera négativement avec plus d'électrons (voir
�gures ci-dessous).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
16. Ce processus va créer à son tour un champ électrique dans le sens
opposé du champ électrique intégré (built-in electric �eld) déjà
présent dans la zone de dépletion, ce qui fait réduire l'intensité du
champ e�ectif (de dérive) dans la zone de dépletion et partant le
courant de dérive net.
17. Ce passage des trous libres vers la région p et des électrons libres
vers la région n va continuer jusqu'à ce que les deux champs
électriques (courants de dérive) soient égalisées ( en équilibre).
18. Dans ce cas, le dispositif (jonction p-n) ne produit pas de courant
électrique, mais crée un champ électrique ou plutôt une tension
électrique entre les deux régions de la jonction.
19. Cette tension créée par une cellule solaire éclairée dans des
conditions de circuit ouvert est appelée tension en circuit ouvert
(en anglais : open circuit voltage).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'une jonction p-n en cellule solaire :
20. En résumé, on peut dire qu'une jonction p-n éclairée avec de la
lumière on peut générer un courant électrique en circuit fermé soit
une tension en circuit ouvert.
21. Ainsi, la jonction p-n est un dispositif qui facilite l'e�etphotovoltaïque qui consiste, rappelons-le, en trois étapesessentielles :
1 Génération de paires électron-trou après absorption de la lumière.2 Séparation des électrons et des trous au niveau de la zone de
dépletion de la jonction p-n.3 Collecte d'électrons et des trous aux contacts.
22. L'étape 1 a lieu dans le matériau semi-conducteur, l'étape 2 se
produit dans la région de charge d'espace (zone de dépletion) et
l'étape 3 a lieu aux terminaux (contacts métalliques).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Générations de technologies photovoltaïques :
Le classement des technologies de photovoltaiques basé sur le type de
matériau utilisé comme absorbeur est le suivant :
1. La plus dominante est basée sur les plaques en silicium cristallin
(silicon crystalline wafer).
2. Elle représente presque 90% de la production actuelle des cellules
solaires.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Générations de technologies photovoltaïques :
3. Sur la �gure ci-dessus on montre l'évolution (exponentielle) de la
production des modules de cellules photovoltaïques dans le monde
sur l'axe des y en MW et en fonction du temps (axe des x entre 2000
et 2010), avec di�érents types de technologies de production qui ont
contribué à l'essor de cette industrie.
4. Les pourcentages en rouge montrent la croissance en production par
rapport à l'année précédente.
5. On voit bien que la technologie PV basée sur le silicium cristallin
(c-Si) est la dominante et représente 90 pour cent (Silicium mono et
poly-cristallin).
6. Une deuxième technologie est basée sur les couches minces de
Silicium (Thin-�lm silicon) où des �nes couches de silicium qui sont
déposées sur du verre (glass) ou un substrat �exible.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Générations de technologies photovoltaïques :
7. La seconde génération de PV est basée sur le Silicium en phase
amorphe (a-Si) ou nano-cristalline.
8. Une autre technologie est basée sur les matériaux II-VII : le tellurure
de Cadmium CdTe (Cadmium telluride) (voir �gure ci-dessous).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Générations de technologies photovoltaïques :
9. C'est le matériau le plus utilisé dans la technologie des couches
minces.
10. Une autre technologie est basée sur les CIGS pour (Calcium, Indium,
Gallium, Soufre).
11. Cette technologie a le rendement le plus élevé parmi les technologies
des couches minces avec près de 20% de rendement au laboratoire.
12. Le troisième génération de technologie est basé sur les
semi-conducteurs à base d'éléments III-V tel que l'arséniure de
gallium GaAs.
13. La cellule solaire basée sur des multi-jonctions en III-V composants
est la plus élevée en rendement aujourd'hui.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'un transitor :
1. Une jonction en transistor est constituée de deux jonctions p-n mises
en contact (back to back) selon deux con�gurations possibles :
n�p�n ou p�n�p.
2. La jonction p�n�p est montrée et discutée sur la �gure ci-dessous.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'un transitor :
3. Une très mince région de type n (base) est insérée (sandwiched)
entre deux régions de type p (émetteur et collecteur).
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'un transitor :
4. Sur la �gure ci-dessus on voit que le circuit de la jonction (1)
émetteur-base est soumis à une tension directe (forward bias
voltage), alors qu'une tension inverse (reverse bias voltage) est
appliquée sur la jonction (2) base-collecteur.
5. Sur la �gure ci-dessous, on montre le fonctionnement de la jonction
transistor (p − n − p) en terme de mouvement des porteurs des
charges.
Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'un transitor :
6. Puisque l'émetteur est de type p et la jonction (1) est soumis à une
voltage direct, un très grand nombre de trous se déplacant vers la
région de type n (base).
7. Ces trous sont des porteurs de charge sont minoritaires dans cette
région (base de type n), et une partie de ces trous vont recombiner
avec les électrons (porteurs de charge majoritaires dans cette région).
8. Cependant, si la base est extrêmement mince et le matériau
proprement préparé, la majorité de ces trous vont passer à travers la
région n sans recombinaison avec les électrons vers la jonction (2), et
de là vers le collecteur.
9. Maintenant, les trous sont devenus une partie intégrante du circuit
base-collecteur.
10. Cela entraine une petite augmentation dans le tension d'entrée
(input voltage) dans le circuit émetteur-base, qui à son tour, produit
une augmentation considérable dans le courant électrique à travers la
jonction (2).Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
Fonctionnement d'une cellule solaire :
Fonctionnement d'un transitor :
11. Cette augmentation de courant dans le collecteur a un e�et
d'augmenter la tension aux bornes de la résistance de le charge (voir
�gure ci-dessus).
12. Ainsi, un signal de tension qui passe à travers une jonction transistor
est ampli�é (voir �gure -ci-dessous).
13. Le même raisonnement ci-dessus s'applique à une jonction transistor
n − p − n, sauf que là ce sont les électrons, et non pas les trous, qui
seront injectés à travers la base vers le collecteur.Mohamed Mebrouki Matériaux pour l'électrotechnique
