Simulations des caractéristiques C(V,T)

Le logiciel AFORS-HET permet également de simuler les effets capacitifs du composant. Pour cela, il suffit de définir une fréquence de fonctionnement et l’amplitude de la composante alternative de l’excitation dans les paramètres de simulation. Nous utilisons le module C-V dans la même gamme de températures que pour les caractéristiques courant-tension. La figure 2.28 montre les résultats expérimentaux et les simulations de la capacité (les valeurs simulées ont là encore été multipliées par la surface de la cellule) de jonction en fonction de la tension, pour les fréquences 2 kHz, 20 kHz et 200 kHz respectivement à T=120 K et T=300 K.

6. Cette dernière hypothèse est peu vraisemblable car le calcul du courant est effectué à partir des concentrations de porteurs définies en chaque point du maillage d’après les équations de continuité, et non à partir des équations du modèle à 1 ou 2 diodes.

Figure 2.28 – Caractéristiques 1

C2 obtenues expérimentalement et par simulation numérique en fonction de la tension et pour trois valeurs de fréquences pour les températures T=120 K et T=300 K.

Les pentes de ces caractéristiques sont identiques car elles sont déterminées par le dopage de la base7. Au niveau de l’amplitude, les simulations surestiment légèrement les données expérimentales. Cette différence d’à peine 3 % à 120 K atteint 7 % à 300 K et peut provenir d’un effet de dilatation de la surface du composant avec la température ( 1

C2 dépend du carré de la surface, une dilatation de 500 µm de la longueur de la cellule (5 cm) entre 120 K et 300 K pourrait expliquer cette variation8. En ce qui concerne les points en polarisation directe, le régime d’injection apparaît à des valeurs un peu plus faibles pour les simulations à T=300 K que pour l’expérience. Ce phénomène n’est pas étranger à la différence de 10 mV observée pour la tension de circuit-ouvert entre la simulation et les résultats expérimentaux (en ajustant un peu ce paramètre, il devrait être possible de trouver le régime d’injection de porteurs à partir de la même valeur de tension appliquée).

Enfin, nous comparons l’évolution de la capacité de jonction de cette cellule avec la température pour les résultats expérimentaux, la modélisation selon le modèle de Gummel (voir p.66) et les simulations numériques sur la figure 2.29. Les résultats de la simulation sont en accord avec les résultats expérimentaux et le modèle proposé par Gummel et al. [47]. Les simulations numériques et le modèle analytique se superposent parfaitement sur toute la gamme de températures. Les points de simulation pour la polarisation directe à 0,45 V pour les températures supérieures à 240 K ne sont toutefois pas indiqués sur la figure, ces points prenant des valeurs de l’ordre de quelques microfarads à cause du passage en régime d’injection de porteurs dans la jonction.

7. Des simulations sans le BSF montrent que celui-ci n’a pas d’effet sur l’amplitude ni sur la pente de ces courbes. 8. La valeur de 500 µm est cependant près de 20 fois supérieure à celle attendue sur silicium monocristallin.

Figure 2.29 –Évolution de la capacité de jonction de la cellule à homojonction de silicium multicristallin en fonction de la température. Les valeurs expérimentales sont comparées à la modélisation selon le modèle général de Gummel et aux simulations numériques avec AFORS-HET.

2.1.8 Conclusions

Dans cette première partie de chapitre, nous avons défini les grandeurs régissant les principaux phénomènes de transport électronique et de conversion optique à l’œuvre dans le silicium mono-cristallin. Ces grandeurs dépendent de la température, ce qui permet de les étudier à travers des expériences où celle-ci est régulée et finement contrôlée sur de grandes gammes.

Plusieurs techniques de caractérisation optiques et électriques ont été présentées et appliquées à une cellule photovoltaïque à homojonction de silicium multicristallin de type n. D’autre part, la mise en place et l’automatisation d’un nouveau banc de mesures électriques sous atmosphère d’azote dans lequel il est possible de placer des échantillons de surface allant jusqu’à 25 cm2, et dont la température peut être fixée entre 100 K et 320 K nous a permis de réaliser les mesures de caractéristique courant-tension et de capacité de jonction présentées pour cette cellule.

Des modélisations avancées, tenant compte de la variation des paramètres électroniques du silicium cristallin avec la température ont été appliquées à l’étude de la caractéristique courant-tension et de la capacité de jonction en fonction de la température. Nous avons ainsi pu voir que la présence d’une région inversée dans le cristallin à l’interface avec l’émetteur est à l’origine de comportements qui ne sont pas décrits par la théorie simple. En utilisant des modèles plus complets, ces comportements ont été reproduits et semblent mettre en évidence la présence de phénomènes de transport de charge comme l’effet tunnel.

Enfin, nous avons utilisé l’outil de simulation numérique AFORS-HET pour définir une structure typique d’homojonction de silicium avec absorbeur multicristallin de type n et couche BSF. Dans le cadre de ces simulations, nous avons fait l’hypothèse que le silicium multicristallin se comporte de la même manière (électriquement) que le silicium monocristallin avec la température et le dopage, et qu’une durée de vie plus faible des porteurs de charge dans le volume multicristallin suffit à dé-grader les propriétés de transport et reproduire son comportement (les effets des joints de grains sont intégrés dans cette faible durée de vie). Nous avons ainsi été capables de reproduire les résultats obtenus expérimentalement pour les caractéristiques courant-tension à l’obscurité et sous éclairement et de la capacité de jonction avec la cellule du même type. Et cela sur une gamme de températures aussi étendue que lors de l’expérience. Nous avons aussi pu trouver un bon accord avec les modéli-sations analytiques, notamment pour la capacité de jonction. La reproduction de la caractéristique courant-tension à l’obscurité pour les moyennes injections n’a pas été possible avec les simulations numériques, le courant mesuré pour l’expérience étant toujours plus élevé. Cela pourrait venir de phénomènes de transport non implémentés dans le logiciel de simulation, et pourrait conforter la présence d’effet tunnel, même à température ambiante. D’autre part, l’extrapolation des formules pour le calcul des différentes grandeurs physiques (notamment les mobilités des porteurs) sur une gamme de températures plus large que celles indiquées dans la bibliographie semble valide avec les résultats expérimentaux sur la gamme 120 K-300 K.

Dans la deuxième partie du chapitre, nous allons suivre le même schéma, mais pour l’étude des phénomènes de transport électronique dans les couches minces de silicium amorphe hydrogéné. Ces couches sont utilisées pour la fabrication des cellules à hétérojonctions de silicium car elles permettent de passiver les défauts de surface du silicium cristallin et jouent le rôle d’émetteur et de BSF.