Haute injection et électroluminescence (EL)

Pour pouvoir observer les défauts d’assemblages, il est nécessaire de se placer dans des conditions de haute injection. Comme définie au chapitre II, la haute injection est le régime d’injection pendant le-quel la cellule s’échauffe à des températures largement supérieures à la température ambiante (plusieurs dizaines de degrés). Le régime de faible injection n’entrainant quant à lui qu’un faible échauffement de la cellule.

Quelque soit le régime considéré, la puissance injectée est toujours utilisée de deux façons. Tan-dis qu’une partie sera recombinée radiativement (rrad ), une autre sera évacuée sous forme de chaleur (recombinaison non-radiative (r_phonon)). Aussi, plus grande sera la puissance injectée, plus importante sera la quantité de chaleur à évacuer. Dès lors, si un obstacle se trouve sur le chemin du flux de chaleur, il aura d’autant plus de conséquences sous haute injection.

Le flux thermique en provenance de la cellule est évacué par les dissipateurs après avoir parcouru toute la chaîne thermique. La première interface qu’il rencontre est la brasure cellule/substrat. Si cette brasure contient des défauts introduisant une hétérogénéité dans la conduction thermique (voids, parti-cule isolante thermiquement, etc.), la résistance thermique au niveau de ces défauts est accrue. Ainsi, la température de la cellule au niveau de ces défauts devrait être plus importante que pour le reste de la cellule. Comme nous savons que les propriétés de recombinaison radiative de la cellule changent avec la température, il serait donc possible d’observer des défauts de la brasure par l’électroluminescence de la cellule.

La figure IV.14 montre une imagerie thermique d’un récepteur SMI sous une densité de courant injectée de 15A/cm2. Afin de pouvoir supporter une telle injection, le récepteur est monté sur dissipa-teur. L’image a été prise avec une caméra thermique conçue pour l’imagerie de bâtiment. Elle n’offre donc pas la qualité espérée pour de l’image de petit objet. Néanmoins, il est possible de distinguer sur la cellule des points chauds (points sombres) atteignant les 92˚C, contre une température moyenne de la cellule de 80˚C.

FIGUREIV.14 – Thermographie infra-rouge d’un assemblage SMI sur dissipateur sous haute injection (15A/cm2). L’échelle de couleur est comprise entre 91.8˚C (marron) et 37,6˚C (bleu). Des points chauds sont visibles sur la cellule. L’émissivité est réglée sur celle de la cellule.

FIGUREIV.15 – Corrélation entre TRX et Thermographie IR. Les points chauds au niveau des cellules correspondent à l’emplacement de voids dans la brasure de la cellule.

En comparant les résultats de thermographie IR de différentes cellules (sur assemblages SMI) sous haute injection avec leurs cartographies de voids obtenues par tomographie RX (cf. figure IV.15), on observe une corrélation. La présence d’un void dans la brasure augmente la température de la cellule en cet endroit. Cette corrélation n’est pas nouvelle et a déjà été rapportée dans les travaux de Aeby et al. [11] et Bosco et al. [92].

L’expérience a montré que la visualisation de points chauds ne s’obtient que sous un régime de haute injection. Dans ce dernier cas, la puissance injectée est importante et une perturbation de la chaine thermique au niveau de la brasure entraîne un effet d’échauffement localisé. Pour des puissances plus petites, cet effet n’intervient pas, ou du moins de façon suffisamment faible pour ne pas être observé par nos équipements. Dans ce dernier cas, le flux thermique est moins important et la métallisation de la face arrière de la cellule agit comme un spreader. Elle peut alors étaler le flux thermique et✓masquer✔

les voids de la brasure.

Fort de cette constatation, les assemblages SMI de la figure IV.15 ont été observés avec la caméra du banc EL-CMJ. Toujours sous un régime de haute injection, l’électroluminescence de ces

assem-FIGURE IV.16 – Corrélation entre EL et thermographie IR. La présence de voids induit des points chauds et modifie localement les propriétés d’EL des cellules.

blages, présentée sur la figure IV.16, montre des tâches lumineuses au niveau des points chauds (i.e. des voids). Ces images montrent la jonction top uniquement, bien que l’émission EL soit plus intense dans les jonctions mid et bot également.

Nous avons donc ici une observation de la modification des propriétés d’EL par augmentation lo-cale de la température. En utilisant ce principe, il est possible de caractériser la qualité de la brasure par l’électroluminescence.

Cette augmentation locale de l’intensité EL due à l’augmentation locale de la température est contre intuitive car nous avons vu que la recombinaison radiative, mécanisme de l’EL, diminue avec la tempé-rature. D’ailleurs, une des priorités dans les LEDs est d’obtenir le meilleur management thermique afin de maintenir la température de fonctionnement de la LED la plus basse possible. Dès lors, comment expliquer les résultats de la figure IV.16 ?

Encore une fois, il nous faut raisonner en terme de circuit électrique équivalent. L’explication pro-posée sur la figure IV.17 reste une hypothèse qui n’a pas pu être vérifiée expérimentalement.

Sur la figure IV.17, la cellule est représentée comme un ensemble de diodes connectées en parallèle. Ces diodes sont connectées à la face avant de la cellule et à la face arrière, elle-même directement reliée à la brasure. Dans la brasure est figuré un void, sous la diode centrale.

Lorsque la cellule est polarisée sous une tension V_ext, un courant y circule. La recombinaison non-radiative des charges échauffe la cellule. Cet apport de chaleur est mal évacué au niveau du void et la température T₂de la diode centrale est plus élevée que pour le reste de la cellule sous une température T1.

Cette élévation locale de la température diminue l’énergie de gap du semi-conducteur à cet endroit. Par une relation de cause à effet, la courbe DIV de cette diode centrale (rouge pointillé) est décalée des autres courbes (bleu continu). Étant soumise à la même tension Vext, le courant circulant dans ces diodes est différent. La diode centrale voit donc un courant I₂ supérieur au courant I₁ traversant les autres cellules. Une plus grande densité de courant entraîne alors une émission EL plus importante.

Cette hypothèse permet d’expliquer les résultats de la figure IV.16. Sur ce principe, il serait possible de mesurer directement le taux de voids d’une brasure cellule/substrat d’un assemblage CPV par l’élec-troluminescence. C’est précisément cette méthode qui a été développée et brevetée durant les travaux de thèse. Permettant d’étendre l’électroluminescence aux défauts d’assemblages, cette méthode d’EL améliorée est baptiséeEnhanced Electroluminescence.

Dans la suite de ce paragraphe nous allons voir comment l’utilisation de logiciel de traitement d’image permet l’extraction de l’information utile des clichés d’électroluminescence. Par ces outils nous comparerons la cartographie de voids obtenue par l’EEL et la méthode conventionnelle de tomo-graphie RX.

FIGURE IV.17 – Hypothèse sur l’émission EL plus intense à plus haute température. La courbe DIV de la jonction centrale est décalée à cause de la température. La densité de courant est localement plus grande sous une tension externe commune à toutes les diodes.