République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique ________ UNIVERSITE D’ORAN FACULTE DES SCIENCES EXACTES ET APPLIQUEES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE _______ MEMOIRE DE MAGISTER Présenté par Monsieur KHIATI Amar Pour obtenir LE DIPLOME DE MAGISTER Spécialité : PHYSIQUE Option: Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie _____ Sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Laboratoire L.E.M.O.P. Dpt de Physique, Faculté Sciences Exactes & Appliquées, Université d’Oran _____ Intitulé du Mémoire de Magister : Etude de Cellules Thermo-Photovoltaïques Solaires à base de Semi-conducteur II-VI à petit gap CdTe / CdS / CdSe / CdZnSe / CdZnTe Soutenu le 25 juin 2013 devant le Jury composé de MM. : KEBAB Aissa, Professeur, Université d’Oran, Président ZITOUNI Karima, Professeur, Université d’Oran, Examinatrice KADRI Abderrahmane, Professeur, Université d’Oran, Examinateur MOKDAD Naouel, M.C.A., Université d’Oran, Rapporteur Remerciements ______ Ce travail de mémoire de Magister a été réalisé au sein du Laboratoire d’Etude des Matériaux Optoélectronique et Polymères dans le cadre de l’Ecole Doctorale Nanoscience, Nanotechnologie, Nano-métrologie, dirigée par Monsieur le Professeur A.KADRI et Madame la Professeure K.ZITOUNI à l’Université d’Oran, Faculté des Sciences, Département de Physique. Je tiens a remercie spécialement madame Mokdad Naouel Maître de conférence de l’université d’Oran qui a accepté de m’encadrer en vu de la préparation du mémoire de Magister. Je tiens à la remercier pour son dévouement, son accomplissement, sa patience, sa générosité ainsi que sa disponibilité et sa grande bienveillance. Et je tiens aussi a remercie Monsieur la Professeur KADRI Abderrahmane de l'Université d'Oran pour son assistance et pour ses conseils et ses encouragements qui ont été toujours bénéfique pour moi. Je remercie énormément Messieurs les Membres du Jury: Monsieur le Professeur KADRI Abderrahmane, de l'Université d'Oran qui a accepté d’examiner mon travail. Madame la Professeure ZITOUNI Karima, de l'Université d'Oran, qui a acceptée d'examiner mon travail. Monsieur le Professeur KEBAB Aissa, de l'Université d'Oran qui a accepté d’être le président de mon Jury. DDDDééééddddiiiiccccaaaacccceeee A mes chers parents A tous mes frères, Mahmoud, Belahreche, Mohamed et Djamel. A mon neveu Abdelkrim. A mes amis en particulier Traiche Mohamed, Abd Eljebar Samir, Nourdine, Sif Eddine.Kahloul,Zoheir,Djelal,Zenati. Je remercie aussi tous mes collègues et ami(e). Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Sommaire TABLE DES MATIERES Introduction …………………………………………………………………………1 Chapitre I : CdS/CdSe/CdTe dans la conversion photovoltaïque I- Introduction……………………………………………………...................7 II- Conversion photovoltaïque, Photopiles solaires...........................................7 1. Conversion photovoltaïque……………………………………………….7 2. La cellule solaire photovoltaïque, principe de fonctionnement………..10 3. Différents types de cellules solaires photovoltaïques………………….13 3.1. Cellules de 1ère génération…………………………………………..13 3.2. Cellules de 2ème génération………………………………………….14 3.3. Cellules de 3ème génération………………………………………….15 3.4. Cellules de 4ème génération………………………………………….16 III. Cellules solaires en couches minces II-VI CdTe/CdS/CdSe…………………....24 1. Cellules solaires CdTe/CdS……………………………………………...24 2. Cellules solaires CdSe/ZnTe...…………………………………………...25 IV. Conversion et cellules thermo-photovoltaïques solaires………………………26 1. Conversion thermo-photovoltaïque……………………………………...26 2. Les matériaux thermo-photovoltaïques……………………………….....28 3. Intérêt des matériaux CdS CdSe et CdTe dans la conversion thermo- photovoltaïque……………………………………………………………30 V. Conclusion………………………………………………………………………..30 Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Sommaire Chapitre II : Propriétés des matériaux II-VI CdTe/CdS/CdSe/CdZnSe/CdZnTe I. Introduction ………………………………………………………………….........35 II. Propriétés des composés binaires du cadmium ………………………………...35 1. CdS………………………………………………………………………...38 2. CdSe……………………………………………………………………….38 3. CdTe……………………………………………………………………….39 III. Propriétés des composés binaires du zinc ……………………………………..41 1. ZnS………………………………………………………………………….41 2. ZnSe………………………………………………………………………..42 3. ZnTe………………………………………………………………………..43 IV. Propriétés des alliages ternaires…………………………………………….....44 1. Alliages du Soufre Cd Zn S ……………………………………………….44 1-x x 2. Alliages du Sélénium Cd Zn Se …………………………….......................46 1-x x 3. Alliages du Tellure Cd Zn Te ……………………………………………..48 1-x x V. Propriétés des hétéros-structurent à puits quantiques associés............................50 1. Propriétés de l’ hétérojonction CdS/Cd Zn Te,……………………………50 1-x x 2. Propriétés de l’ hétérojonction CdSe/ Cd Zn Te ………………………….53 1-x x 3. Propriétés de l’ hétérojonction CdTe / Cd Zn Te…………………………56 1-x x VI. Choix de la structure CTe /Cd Zn Te,…………………………………………58 1-x x VII. Conclusion……………………………………………………………………..59 Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Sommaire Chapitre III : Etude des propriétés physiques de l’hétérostructure choisie I. Introduction………………………………………………………………….62 II. Théorie k.p………………………………………………………………….62 1. Bande de conduction……………………………………………………..62 2. Bande de valence…………………………………………………………67 III. Effets de la contrainte………………………………………………………..71 1. Bande de conduction……………………………………………………..71 2. Bande de valence………………………………………………………...74 IV. Effets de Polarisation………………………………………………………..77 V. Effets de la ferroélectricité………………………………………………….80 VI. Effets de la pyroélectricité…………………………………………………..82 VII. Conclusion…………………………………………………………………..83 Chapitre IV : Simulation & Optimisation du Composant photovoltaïque CdTe/CdZnTe I. Introduction………………………………………………………………….87 II. Etude de la caractéristique I(V)……………………………………………..87 1. Simulation & Optimisation du Composant photovoltaïque CdTe/Zn Cd Te……………………………………………………..89 0.34 0.66 III. Etude du rendement quantique & du facteur de forme…………………….93 IV. Etude des autres paramètres : puissance, courant de court-circuit, tension à circuit ouvert ….…………………………………………………………….95 V. Conclusion ……………………………………………………………….....98 Conclusion ………………………………………………………………………...100 Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran 1 Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Introduction Générale Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semi-conducteur II-VI à petit gap Cd Te/CdS/CdSe/CdZnSe/CdZnTe ____ I N T R O D U C T I O N _____ Dans ce travail de mémoire de Magister, nous nous proposons d’étudier les cellules photovoltaïques solaires à base de nanostructures des matériaux semi-conducteurs II-VI à gap intermédiaire (entre 1.5eV et 3.8eV) de la famille du Cadmium (CdS, CdSe, CdTe) et du Zinc (ZnS, ZnSe et ZnTe) [1]. L’objectif est de procéder à une étude d’optimisation de nanostructures spécifiques, construites à base de ces matériaux de la famille du CdS et ceci, afin d’améliorer les caractéristiques et performances des cellules photovoltaïques solaires conçues sur ces systèmes. En effet, ces matériaux et, en particulier CdS, occupent une place de choix dans la conversion de l’énergie solaire. CdS occupe la place stratégique de 2ème matériau après le Silicium dans les applications photovoltaïques solaires et ce, grâce principalement aux couches minces de CdS/CdTe qui sont de relativement bonne qualité et qui sont surtout faciles à fabriquer par des techniques de croissance relativement simples, accessibles et peu onéreuses. Ce matériau présente même un meilleur rapport qualité/prix par rapport au Silicium et peut le supplanter dans de nombreuses applications photovoltaïques si ce n’est les inconvénients inhérents à ce matériau et qui sont principalement: Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran 2 Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Introduction Générale 1. La nocivité du Cadmium qui représente un problème d’environnement nécessitant la mise en œuvre de dispositions appropriés de contrôle du process de fabrication et des effluents. Ceci se traduit par un accroissement du process technologique de fabrication des cellules et panneaux solaires [2]. 2. Les faibles rendements des cellules photovoltaïques conçues à base de ces matériaux. Ils sont de l’ordre de 15%-17% pour les cellules de petite surface et seulement de 9%-11% pour les panneaux solaires [3]. 3. Les problèmes technologiques inhérents aux hétérojonctions CdS/CdTe qui sont de nature poly-cristalline caractérisées par des questions de qualité des couches, de reproductibilité et de stabilité des performances du composant. 4. Les problèmes de l’interface CdS/CdTe[4] : perçage de la jonction et formation d’îlots hétérogène. Ceci nécessite l’utilisation de couches tampon isolante et transparente (ITO) entre CdS et CdTe. 5. Les problèmes de process technologique des contacts et surtout, du contact arrière. Pour obtenir des contacts ohmiques, il est nécessaire de doper fortement la zone de contact et procéder à des attaques chimiques humides qui détériorent le matériau en créant des zones conductrices hétérogènes court-circuitant la structure. Dans ce travail, nous proposons d’améliorer les performances de la structure photovoltaïque solaire CdS/CdTe en utilisant une nanostructure plus sophistiquée permettant de s’affranchir des problèmes inhérents à l’hétérojonction directe CdS/CdTe. Cette nanostructure que nous proposons est de type CdS/CdZnTe/CdTe/CdZnTe/CdTe où on a intercalé entre CdS et CdTe une nanostructure quantique nanométrique de type puits / double barrière (PDB) où CdTe forme le puits quantique et CdZnTe forme la barrière. Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran 3 Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Introduction Générale Cette nouvelle structure est du type hétérojonction N-I-P, où la couche avant est de type n et elle est formée par CdS qui a tendance à accumuler les électrons, la couche p est formée par la couche arrière de CdTe qui a tendance à accumuler les trous et la couche isolante est formée par la nanostructure PDB non dopée formée par CdZnTe/CdTe/CdZnTe. Ceci est du à la nature de type II de l’hétérojonction CdS/CdTe. La cellule solaire ainsi formée présente toute une série d’avantages : 1. On s’affranchit du contact direct entre CdS et CdTe et des problèmes d’interface qu’il pose. On utilise donc la nanostructure PDB comme une couche tampon intercalaire, ce qui présente un intérêt technologique évident. Ceci permet de s’affranchir des incompatibilités chimiques, technologiques et structurales d’interface CdS/CdTe. 2. On bénéficie des propriétés quantiques de la nouvelle structure. En particulier, l’absorption des photons sera amplifiée par la nature du confinement quantique bidimensionnel de la zone active centrale constituée par le puits quantique 2D de CdTe : accroissement de la probabilité de transitions optiques, du coefficient d’absorption, du rendement quantique interne et d’une forte mobilité des électrons et des trous confinés dans cette zone ; 3. De plus, la nature ferroélectrique de la nanostructure CdZnTe/CdTe confère toute une série d’autres propriétés à la cellule solaire : a- D’abord l’existence de la ferroélectricité se traduit par l’apparition d’un champ électrique interne global appliqué à l’interface de la structure qui va s’ajouter au champ électrique de contact déjà existant dans la jonction N-I- P. Ceci aura pour conséquence de renforcer la séparation des électrons et des trous photo-crées et d’accroître leur accélération vers les zones Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran 4 Mémoire de Magister : Etude de cellules thermo-photovoltaïques solaires à base de semiconducteurs II-VI à petit gap CdTe CdS CdSe CdZnSe CdZnTe Introduction Générale d’extrémité et leur collecte: dans la couche avant de CdS pour les électrons et dans la couche arrière de CdTe pour les trous. b- Ensuite, à l’échelle microscopique locale, la ferroélectricité induit des polarisations internes alternées de signe sur les différentes couches. Ceci se traduit, en particulier, par un effet Stark bidimensionnel sur le puits quantique de CdTe entraînant une séparation des électrons par rapport aux trous confinés dans le puits et surtout une réduction du gap quantique entre les états d’électrons et de trous ou red-shift qui permet d’aller chercher l’absorption des photons thermiques infrarouges de grandes longueurs d’onde, ce qui confère à la cellule des propriétés thermo-photovoltaïques très intéressantes. c- Ces propriétés thermo-photovoltaïques sont amplifiées par la nature même de la ferroélectricité qui est par essence pyro-électrique. Ceci veut dire que la cellule photovoltaïque ainsi conçue est capable d’absorber les photons thermiques infrarouges de grandes longueurs d’onde du spectre solaire directement par effet thermoélectrique du à la pyroélectricité, sans passer par une absorption optique. Ceci va accroître considérablement le rendement quantique de la photopile ainsi que l’ensemble des autres paramètres caractéristiques de la cellule solaire photovoltaïque. Ce mémoire est composé de 4 chapitres organisés comme suit : - Le chapitre I est dédié à la place des matériaux CdS/CdTe/CdSe dans la conversion photovoltaïque. Après une revue des principales technologies de photopiles solaires et des cellules solaires à base de CdS/CdTe/CdSe, nous présentons l’intérêt de la conversion thermo-photovoltaïque solaire ainsi que le potentiel présenté par les matériaux II-VI dans ce type très prometteur de conversion. Mémoire de Magister de Mr KHIATI Amar sous la direction de Madame MOKDAD Naouel, M.C.A. Ecole Doctorale Nanosciences des Matériaux, Nanotechnologie, Nano-métrologie Juin 2013 Département de Physique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d’Oran