2.3.1.1. Méthodologie et caractérisation des échantillons à température ambiante

V - 2.3.2. MESURES A DIFFERENTES TEMPERATURES ... 151

V- 2.3.2.1. Comparaison avec la littérature... 151

V- 2.3.2.2. Extraction de la densité de courant de saturation ... 153

V- 2.3.2.3. Evolution du facteur d’idéalité avec la température ... 153

V-2.4. CONCLUSION DE L’ETUDE DE DENSITE DE COURANT-TENSION ... 154

V-3. SIMULATION NUMERIQUE ... 154

V-3.1. GENERALITE SUR LES SIMULATIONS TCAD(TECHNOLOGY COMPUTER AIDED DESIGN) ... 155

V - 3.1.1. PRINCIPE DE LA METHODE NUMERIQUE ... 155

V - 3.1.2. MODELES DE RECOMBINAISON ... 156

V- 3.1.2.1. Les recombinaisons SRH ... 156

V- 3.1.2.2. Modèle de transport par effet tunnel assisté par pièges de Sentaurus ... 157

V-3.2. HETEROJONCTION ZNO/CDTE ... 157

V - 3.2.1. POSITIONNEMENT DU PROBLEME ... 157

V - 3.2.2. SIMULATION DERIVE-DIFFUSION ET THERMOÏONIQUE ... 158

V - 3.2.3. EFFET DU DOPAGE ... 159

V - 3.2.4. EFFET DE LA GEOMETRIE ... 160

V - 3.2.5. EFFET DES MODELES DE RECOMBINAISON ... 161

V- 3.2.5.1. Influence de la recombinaison SRH dans la zone de charge d’espace ... 162

V- 3.2.5.2. Influence du modèle de tunnel assisté par pièges ... 163

a. Influence de l’énergie du piège ...163

b. Influence de la masse tunnel ...165

c. Simulations en température ...166

V-3.3. DOUBLE HETEROJONCTION ZNO/CDTE/CUSCN ... 166

V-3.4. CONCLUSION SUR LA SIMULATION NUMERIQUE... 168

V-4. MODELISATION ANALYTIQUE ... 168

V-4.1. SIMPLE HETEROJONCTION ... 168

V - 4.1.1. FONCTIONNEMENT D’UNE HETEROJONCTION A GRANDE DISCONTINUITE (ZNO/CDTE) ... 169

V - 4.1.2. MODELE THERMOÏONIQUE-DIFFUSION ... 170

V - 4.1.3. COMPARAISON AVEC LA SIMULATION NUMERIQUE ... 172

V-4.2. DOUBLE HETEROJONCTION ... 173

V - 4.2.1. PRINCIPE DE CALCUL... 173

V - 4.2.2. MODELISATION DE L’HETEROSTRUCTURE ZNO/CDTE/CUSCN ... 174

V-4.3. CONCLUSIONSUR LA MODELISATION ANALYTIQUE ... 177

V-5. PREDICTION DU RENDEMENT THEORIQUE ... 177

V-5.1. CAS DU ZNO/CDTE ... 177

V-6. CRITERES POUR OBTENIR DES CELLULES SOLAIRES ETA DE BONNE QUALITE ... 179

V-7. CAS D’AUTRES ABSORBEURS ASSOCIES A ZNO ... 180

V-8. CONCLUSION ... 181

V - 1. Introduction

Dans le chapitre précédent, nous avons étudié et optimisé les cellules solaires ETA du point de vue

optique. Afin de compléter cette étude, il est nécessaire d’analyser les mécanismes de transport électriques

qui influent aussi significativement sur les performances des cellules solaires. Comme nous l’avons vu au

chapitre I, la densité de courant de diode obtenu sans lumière (JD) s’oppose au courant photogénéré (Jph). En

conséquence, les performances des cellules solaires sont meilleures lorsque la densité de courant de diode

est la plus faible. Dans ce contexte, l’utilisation de cellules solaires à base d’hétérostructure de type II avec

une grande barrière de potentiel à l’interface entre les deux matériaux (entre le ZnO et le CdTe, par exemple)

est à première vue intéressante.

Au chapitre II, nous avons présenté la fabrication de cellules solaires de ZnO/CdTe. Ces dernières seront

caractérisées électriquement sous éclairement puis sous obscurité afin de déterminer leurs performances

et d’analyser l’influence des défauts électriques. Des solutions seront finalement proposées pour améliorer

leurs performances.

Ce chapitre est donc divisé en trois parties. Dans la première partie, nous évaluerons le potentiel et les

performances des cellules solaires ETA à base de nanofils de ZnO/CdTe réalisées. Puis, dans les parties deux

et trois, nous modéliserons avec des modèles numériques et analytiques le fonctionnement de ces cellules

solaires afin d’analyser les phénomènes de transport et de déterminer leurs performances optimales.

V - 2. Caractérisation Electrique

Dans cette partie, nous analysons les performances des cellules solaires ETA à base de nanofils de ZnO

recouverts d’une couche mince de CdTe. Dans un premier temps, nous mesurerons le rendement de

conversion puis nous étudierons les courbes de densité de courant en fonction de la tension appliquée

(courbes JV) sous obscurité afin d’analyser les mécanismes limitant le rendement des cellules ETA.

V - 2.1. Caractéristiques des échantillons expérimentaux

La description complète des étapes technologiques de la fabrication des cellules solaires ETA a été faite

dans le chapitre II. On rappelle ici les principales étapes de fabrication ainsi que la morphologie des cellules

solaires caractérisées (voir le schéma de la Fig. V-1).

Les nanofils de ZnO/CdTe d’un diamètre moyen d’environ 200 - 240 nm ont été crus sur une couche

d’amorce de ZnO préalablement déposée sur un substrat de verre/FTO. Le réseau de nanofils n’est pas

parfaitement régulier avec une période moyenne d’environ 360 nm. Ces dimensions moyennes sont

proches des dimensions optiques optimales obtenues au chapitre IV. La coquille en CdTe, d’une épaisseur

d’environ 60 – 80 nm, a ensuite été déposée par sublimation en espace proche (CSS). Un échantillon avec

une coquille réalisée par jet moléculaire (MEB) a également été testé à titre préliminaire.

L’échantillon avec coquille déposée par CSS a ensuite été découpé en deux parties. Ces deux parties ont

été traitées avec une solution de CdCl2 puis recuites à 300 °C (échantillon CSS 300°C) ou 450 °C (échantillon

CSS 450°C). Ce traitement permet de doper le CdTe par inclusion d’atomes de chlore. La morphologie de la

structure empêchant la mesure du dopage, ce paramètre est donc inconnu. Cependant, étant donné

qu’aucun dopage mis à part le traitement CdCl2 n’a été réalisé sur les couches, on peut supposer que celui-ci

est relativement faible (NA < 10¹⁷ cm^-3).

Finalement, un dépôt de CuSCN, remplissant l’espace entre les nanofils et ayant une épaisseur d’environ

2-3 µm, a été réalisé sur les échantillons dont la coquille a été déposée par CSS ou MBE. Pour finir, une

étape d’évaporation d’or a été effectuée pour prendre le contact sur la structure finale. Le Tab. V-1 résume

les dimensions des échantillons ainsi réalisés.

Echantillon CSS 300 °C CSS 450 °C MBE

Surface de l’échantillon (cm²) 0,395 2,15 0,423

Couverture du contact d’or (%) 31 2,74 41

V - 2.2 Mesures sous éclairement 147

Fig. V-1 : Représentation schématique des cellules solaires ETA à base de ZnO/CdTe.

V - 2.2. Mesures sous éclairement

Pour mesurer le rendement des cellules solaires, on utilise un simulateur solaire 96000 d’Oriel

Instruments. Il permet de produire le spectre solaire AM1.5G (voir partie I - 1.1). La puissance est étalonnée

avant les mesures avec un photodétecteur afin d’avoir une densité de puissance éclairant l’échantillon de

100 mW/cm².

On présente sur la Fig. V-2 les courbes de densité de courant en fonction de la tension (JV) de

l’échantillon MBE sous obscurité ou éclairé par le substrat de verre. Un éclairage par le dessus des

nanofils aurait été préférable (voir chapitre IV, partie IV - 4.7.2) mais l’épaisseur de CuSCN et le dépôt d’or

rendait cette mesure impossible.

Fig. V-2 : Densité de courant en fonction de la tension pour l’échantillon MBE avec et sans lumière.

-06

-04

-02

0

02

04

06

0 002 004 006 008 01

J

(mA/

c

2 )

Ten

(

"

)

obscurite

Avec lumiere

V_oc

-J_sc

On remarque, sur la Fig. V-2, qu’un effet photovoltaïque est bien présent dans nos structures : les

cellules solaires fonctionnent. Pour caractériser leur potentiel, la densité de courant de court-circuit (Jsc), la

tension de circuit ouvert (Voc), le rendement de conversion (η) et le facteur de forme (FF) sont extraits des

courbes JV sous éclairement (Fig. V-2) et reportés dans le Tab. V-2.

On constate que la densité de courant photogénéré est très faible (0,35 mA/cm² au maximum) en

comparaison avec les valeurs simulées optiquement dans le chapitre IV qui sont de l’ordre de

20 - 30 mA/cm². Ces faibles valeurs peuvent être, en partie, dues à l’éclairage par le substrat de verre : une

partie des porteurs photogénérés est perdue par absorption dans le FTO alors qu’une autre est

photogénérée à proximité de la couche d’amorce du ZnO où la conformité du dépôt est difficile à atteindre,

comme nous l’avions évoqué au Chapitre IV. Néanmoins, ces très faibles valeurs sont probablement

essentiellement dues à des phénomènes de recombinaison aux interfaces et/ou en volume.

Le Voc et le FF mesurés sont aussi très faibles : le Voc est au maximum de 31 mV et le FF de 30 %. Les

mesures de rendement sont donc très faibles pour l’ensemble des échantillons (~10^-2-10^-3%). Le meilleur

rendement de 10^-2% est obtenu pour la coquille déposée par CSS et recuit dans une solution de CdCl2 à

450 °C. Les dispositifs réalisés sont donc fonctionnels mais leurs performances sont très dégradées.

Dans les parties qui suivent, nous analyserons donc les origines de ces faibles rendements en étudiant,

à partir de mesures sous obscurité, les mécanismes limitant le transport des charges.

Echantillon Jsc (mA/cm²) Voc (mV) FF (%) η (%)

CSS 300 ° C 0,11 31 27 9 10^-4

CSS 450 ° C 0,35 96 29 1 10^-2

MBE 0,5 20 20 2 10^-3

Tab. V-2 : Paramètres extraits des mesures JV sous éclairement.

V - 2.3. Mesures sous obscurité

V - 2.3.1. Mesures de la densité de courant d’obscurité à température ambiante

V- 2.3.1.1. Méthodologie et caractérisation des échantillons à température

ambiante

Sous obscurité, les courbes de densité de courant en fonction de la tension sont réalisées à l’aide d’une

station sous pointes et d’un analyseur HP4155. Les mesures sont tout d’abord faites à température

ambiante et sous obscurité afin de vérifier le caractère redresseur du dispositif.

Les premières mesures réalisées sur les échantillons MBE et CSS 300 °C sont présentées sur la Fig. V-3.

Ces dispositifs possèdent bien un caractère redresseur (Fig. V-3a) ce qui confirme que l’empilement

ZnO/CdTe développé au LMGP (et décrit dans le chapitre II) permet de réaliser des dispositifs fonctionnels,

comme nous l’avons vu ci-dessus. Etant donné que la densité de courant dans les cellules solaires sous

obscurité évolue exponentiellement avec la tension appliquée, on les représente généralement sur une

courbe en échelle logarithmique (Fig. V-3b).

La densité de courant d’électrons dans les hétérojonctions est en général décrite par un courant

thermoïonique th

n

J (voir Annexe B pour les détails mathématiques) donné par la relation :

exp

th CdTe B

n ZnO RZnO

ZnO B

m

J q n v

m k T

φ

 

= − 

  ^{Eq. V.1}

Avec mZnO, mCdTe les masses effectives du ZnO et du CdTe. nZnO et vRZnOsont la densité d’électrons et la

vitesse de Richardson des électrons dans le ZnO. φ_B=1,4eV−qVest la barrière entre le ZnO et le CdTe.

V - 2.3 Mesures sous obscurité 149

Fig. V-3 : Courbes JV mesurées pour les échantillons réalisés et comparaison avec la

littérature[Mancini85; Khomyak13]. (a) échelle linéaire (b) échelle logarithmique. Le modèle thermoïonique

(Eq. V.1) est aussi reporté à titre de comparaison.

A partir de l’Eq. V.1 et en utilisant les paramètres massifs des matériaux (voir Tab. V-4), on obtient pour

une tension appliquée de 1 V et un dopage de 10¹⁷ cm^-3, un courant de 6,8 mA/cm², ce qui est de 11 à

38 fois inférieur aux valeurs trouvées expérimentalement (voir Fig. V-3b). La différence de densité de

courant est encore beaucoup plus grande aux faibles tensions. Cela montre que ce modèle ne suffit pas à

décrire correctement les phénomènes de transport dans nos hétérostructures. Néanmoins, on constate que

les fortes densités de courant que nous avons mesurées (i.e. ~0,2 mA/cm² à 0,1 V) sont relativement

comparables à celles reportées dans la littérature (i.e. ~0,001 mA/cm² ou ~30 mA/cm² à 0,1 V) en

comparaison avec les valeurs obtenues avec le modèle thermoionique (i.e. ~10^-16 mA/cm²). Ces fortes

densités de courant sont probablement induites par des mécanismes de transport de charges plus

complexes que le simple modèle thermoïnique et probablement dominés par les recombinaisons.

On constate aussi que les courbes JV saturent en échelle log pour de fortes valeurs de tensions. Cette

saturation provient de l’effet des résistances série dont on doit s’affranchir pour analyser les phénomènes

de transport. Ainsi, après avoir corrigé les courbes JV, nous analyserons les principaux phénomènes limitant

le rendement des cellules ETA réalisées.

Dans le document Étude et optimisation de l'absorption optique et du transport électronique dans les cellules photovoltaïques à base de nanofils (Page 162-166)