REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET .DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE Pour l’obtention du dipl´me

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  • REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

    MINISTERE DE LENSEINEMENT SUPERIEUR

    ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

    UNIVERSITE DE BATNA

    FACULTE DE TECHNOLOGIE

    MEMOIRE

    Prsent au

    DEPARTEMENT DELECTRONIQUE

    Pour lobtention du diplme de

    MAGISTER EN MICROELECTRONIQUE

    Option : Microlectronique

    Par

    Soltane Zeghina

    Ingnieur, dpartement dElectronique -Universit de Batna

    Intitul

    Simulation et analyse dune cellule solaire organique

    Devant le jury : Dr. MAHAMDI Ramdane Prof. U. Banta Prsident

    Dr. A.Benhaya Prof. U. Batna Rapporteur

    Dr. Mohamed Salah Aida Prof. U. Constantine Examinateur

    Dr.Djeffal Fayal Prof. U. Batna Examinateur

    -2013-

  • Remerciements Louange notre Seigneur ''Allah" qui nous a dots de la merveilleuse facult de raisonnement. Louange notre Crateur qui nous a incits acqurir le savoir. C'est lui que nous adressons toute notre gratitude en premier lieu.

    Je tiens remercier mon promoteur, Monsieur Benhaya Abdelhamid, professeur au dpartement d'Electronique de l'Universit de Batna, qui m'a chaleureusement accueilli dans son laboratoire, et a accept de diriger ce mmoire, et qui tait toujours disponible, dont les encouragements et les conseils judicieux m'ont t de trs grande utilit.

    Mes remerciements s'adressent galement Monsieur le prsident du jury, Mahamdi Ramdane, professeur au dpartement d'Electronique de l'Universit de Batna, d'avoir accept de prsider le jury de ce mmoire.

    J'adresse galement mes vifs remerciements Messieurs : Mohamed Salah Aida, Professeur l'universit de Constantine et Djeffal Fayal, professeur au dpartement d'Electronique de l'Universit de Batna, pour l'honneur qu'ils nous font d'avoir accept d'tre examinateurs de ce mmoire.

    Je remercie chaleureusement ma chre mre, et chers frre et surs pour leurs sacrifices, aides, soutien et encouragement sans oublier tous ceux qui, de prs ou de loin, auraient contribu au bon droulement de ce mmoire.

    Finalement, j'adresse mes sincres remerciements toutes les personnes avec qui j'ai eu la chance de travailler ou que j'ai eu l'honneur de ctoyer avant et pendant la prparation de ce mmoire et tous mes professeurs de l'Universit de Batna.

    Zeghina Soltane

  • Tables des Matires Introduction gnrale1

    Chapitre I: GNERALITS SUR LNERGIE PHOTOVOLTAQUE ORGANIQUE

    I.1. Contexte nergtique mondial... 3

    I.2. Le gisement solaire ...3

    I.3. Les filires technologiques du photovoltaque ..5

    I.3.1. La filire silicium ..5

    I.3.2. Cellules couches minces ..7

    I.3.3. Les cellules multijonctions ...8

    I.3.4. Les cellules nanocristallines colorant (ou cellules de Grtzel) ..8

    I.3.5. Les cellules photovoltaques organiques .8

    I.2. les semi-conducteurs organiques ..........9

    I.2.1. Nature des semi-conducteurs organiques ..9

    I.2.2. Polymres semi-conducteurs les plus tudis ...9

    I.2.3. Structure de bande des polymres semi-conducteurs ..10

    I.2.4. Conduction par sauts ...12

    I.3.fonctionnement des cellules photovoltaques organiques 13

    I.3.1. Fonctionnement des cellules photovoltaques organiques ...13

    I.3.1.1. Absorption des photons cration des excitons ...13

    I.3.1.2. Diffusion des excitons ....14

    I.3.1.3. Dissociation des excitons ..14

    I.3.1.4. Transport des charges jusquaux lectrodes .15

    I.3.2. Caractristique courant-tension et paramtres des cellules solaires organiques.... 15

  • I.3.2.1. Caractristique courant-tension I(V) ..15

    I.3.2.2. Courant de court-circuit Icc .....16

    I.3.2.3. Tension circuit ouvert Vco .....16

    I.3.2.4. Facteur de forme FF ..16

    I.3.2.5. Rendement quantique externe EQE ....17

    I.3.2.6. Rendement de conversion en puissance ....17

    I.3.3. Schma quivalent dune cellule photovoltaque organique .....17

    I.3.4 Circuit quivalent dune cellule photovoltaque ....18

    I.3.5. Les diffrentes structures de cellules base de polymres ..19

    I.3.5.1. Structure monocouche (jonction Schottky) 19

    I.3.5.2. Structure bicouche (htrojonction PN) 20

    I.3.5.3. Structure de type htrojonction en volume ..21

    I.3.5.4. Structure Tandem...23

    I.3.6. Etat de lart des performances des divers types de cellules photovoltaques organique.23

    Chapitre 2: Equations de base utilises par logiciel de simulation SILVACO

    II.1. Introduction ..27

    II.2. Equations fondamentales de la physique des dispositifs semi-conducteurs ....27

    II.2.1. Equation de Poisson ..27

    II.2.2. Equations de continuit 28

    II.2.3. Equations de transport ..28

    II.3. Gnration optique ...29

    II.4. Mcanismes de recombinaison 30

    II.4.1. Cas des semi-conducteurs inorganiques ...30

    II.4.1.1. Recombinaison SRH (Shockley-Read-Hall) volumique ...30

    II.4.1.2. Recombinaison en surface .31

    II.4.1.3. Autres recombinaisons ....31

  • II.4.2. Cas des semi-conducteurs organiques ....32

    Chapitre III: Rsultats de la Simulation numrique sous SILVACO-ATLAS

    III.1. Introduction .33

    III.2. Structure tudie ...33

    III.3 Rsultats de la simulation ..33

    III.3.1. Caractristique courant- tension ....33

    III.3.2. Effet lpaisseur du la couche active (D/A) sur les paramtres de la cellule ....34

    III.3.3. Effet de la temprature sur la caractristique courant- tension de la cellule organique

    ....35

    III.3.4. Effet de l clairement sur la caractristique courant- tension de la cellule organique.. 39

    III.3.5 la rponse spectrale .....40

    Conclusion gnrale...41

    Annexe I: Aperu sur le logiciel SILVACO

    Rfrences bibliographiques

  • 1

    Introduction gnrale

    Depuis de nombreuses annes, lHumanit fait face une demande en nergie croissante.

    Cette croissance, qui nest que la consquence directe de la croissance dmographique

    mondiale et la mutation progressive des nombreuses conomies primaires (bases sur

    lagriculture) vers des conomies secondaires (bases sur la production) dans les pays en

    voie de dveloppement, entrane une rarfaction des ressources naturelles utilises pour

    rpondre ce besoin en nergie. Une trs grande partie de ces ressources sont aujourdhui fossiles

    : ptrole, charbon, gaz naturel. Bien que diversifies et trs abondantes, ces ressources ne sont

    pas inpuisables et lexploitation qui en est aujourdhui faite ne pourra durer plus dun sicle. Mais

    la sret nergtique long terme des pays du monde nest pas le seul pril que fait encourir le

    recours aux nergies fossiles. Leur utilisation gnre considrablement de dioxyde de carbone, gaz

    en parti responsable de leffet de serre. Cet effet de serre met en pril de nombreuses populations de

    part le monde et la stabilit gopolitique mme de certaines rgions du globe pourrait tre mise

    mal par des phnomnes climatiques majeurs.

    Pour rpondre ces proccupations, de plus en plus dtats mettent en place des politiques

    incitant lconomie de lnergie, mais aussi la production dnergie grce dautres moyens

    souvent qualifis de propres en rfrence au fait quil ne gnre pas de dioxyde de carbone.

    Ces moyens de production sont principalement issus des nergies renouvelables, cest--dire dont

    les ressources sont inpuisables par nature. Parmi celles-ci, on peut citer lnergie olienne (issue

    du vent), marmotrice (issue du ressac, des vagues et des mouvements des mares) ou encore

    lnergie solaire . Ce dernier terme recouvre en ralit de nombreuses technologies, parmi

    lesquelles lnergie photovoltaque. Il sagit ici de transformer directement la lumire du soleil en

    lectricit, sans intermdiaire, directement grce un matriau semi-conducteur.

    Le travail prsent dans ce mmoire concerne l'tude de cellules photovoltaques base de

    matriaux organiques type polymre semi-conducteur. L'objectif principal est de dfinir l'influence

    de la (temprature, l'clairement, lpaisseur de la couche active) sur la caractristique lectrique de

    la cellule photovoltaque organique et par la suite sur ses paramtres.

    En Chapitre I, lnergie photovoltaque dans son ensemble est prsente. Les tenants et

    aboutissants de son dveloppement sont dtailles dans une premire partie, ainsi que ses filires

    technologiques. Les semi-conducteurs organiques et les mcanismes physiques mis en jeu dans la

    production dlectricit dorigine photovoltaque sont ensuite prsents dans une deuxime partie.

  • 2

    Les grandeurs lectriques associes aux cellules photovoltaques ainsi que les diffrentes structures

    de cellules photovoltaques organiques font l'objet de la dernire partie de ce chapitre.

    En Chapitre II, nous abordons une prsentation des modles physiques utiliss dans la

    simulation numrique. Dans une premire partie, nous prsentons les quations fondamentales dans

    les semi-conducteurs, les mcanismes conduisant la perte de paires lectron-trou et nous exposons

    les modles de mobilit des porteurs de charges. La deuxime partie de ce chapitre est consacre

    lexposition du logiciel de simulation de la socit SILVACO et sa mise en uvre dans le cadre de

    notre travail,

    En Chapitre III, Les rsultats de simulations numrique de la structure htrojonction

    D/A sont prsents pour l