La cellule solaire photovoltaïque, principe de fonctionnement

Les cellules solaires hybrides sensibilisées par un colorant (Gratzel) :

En 1991 Michel Gratzel publié un article qui propose de fabrication un nouveau type des cellules appelées (Daye sensitised solar cell DSSC) à l’école polytechnique fédérale de Lausanne. Ces cellules utilisent des structures nanométriques [18], qui présentent des propriétés optiques et électriques importantes parmi ces matériaux on utilisent le TiO2, ZnO, CdS , CdTe, CdSe, SnO2, Si, PbS , PbSe, recouverte d’une molécules de colorant organique qui absorbe la lumière dans le visible mise en contacte avec une solution redox électrolyte iodure/triodure (I/I- 3) de type P, pour augmenté la mobilité des trous. L’utilisation de la solution couple redox présente un inconvénient de fuite et de d’évaporation, pour cela les chercheures ont développé une autre cellule hybride qui basée sur les matériaux organique combiné avec les matériaux inorganiques. Dans cette cellules on remplace la solution redox électrolyte par un polymère et on introduit une couche fine de colorant ce qui permet améliorer le contact entre le semi-conducteur inorganique de type N et le semi-conducteurs organique de type P [19-20].

Le principe de fonctionnement : Sous éclairement, Les photons sont absorbés par les molécules de colorants organiques sensibles, les électrons sont excités de l’état électronique S vers l’état S*. Par conséquent les électrons de l’état S* vont passer vers la bandes de conduction du semi-conducteurs TiO2 car l’énergie de l’état S* est supérieure à celle de la bande de conduction des nanoparticules. Ensuite ces électrons vont passés vers l’électrode TCO et les charges positives sont transportées par le couple redox vers l’autre électrode voir la( figure I.17)[20]. Cellules solaire hybride de Gratzel à Boites quantiques : Les Boites quantiques sont des particules de forme sphérique de dimension Zéro d’un matériau de faible gap. Ils sont caractérisées par un fort confinement des porteurs de charges (voir la figure I-18).Les boites quantique sont utilisés dans les cellules solaires pour augmenter l’absorption des photons grâce à leurs propriétés optiques, électroniques et cristallographiques et par leur petite taille qui varie entre 1 à 10 nm. Dans l’infrarouge ou dans l’ultraviolet les QDS les plus utilisés (CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe) de groupe II-VI et les QDS du groupe III-V (InP, InAs, GaN, GaP, GaAs)[15].

Propriétés des composés binaires du cadmium :

Les matériaux semi-conducteurs de la famille II-VI AII-BVI sont constitués d’un élément de la colonne II (A=Cd) et d’un élément de colonne VI ( B= S, Se, Te) du tableau de Mendeleiv. Les matéraux II-VI cristallisent soit dans la structure blende (appelée aussi sphalérique ou cubique) où bien dans la structure wurtzite (appelée hexagonale). La structure cubique se compose des deux réseaux cubiques faces centrées, formées respectivement des atomes de la colonne II et VI décalés l’un de l’autre du quart d’une diagonale égale _ __/_ et le taux de remplissage de cette structure égale 0.34. Cette structure est décrite par un réseau cubique à face centrée et d’un empilement de type ABCABC dans la direction [111] et La base est formée de deux atome en (000) et (1/4, 1/4 ,1/4). La maille de bravais contiens 4 atomes du groupe II (Zn, Cd, Hg) dans les coordonnée (0, 0, 0); (0, 1/2, 1/2); (1/2, 0, 1/2) ;(1/2, 1/2, 0) et Quatre atomes de groupe VI (O, S ,Se , Te) dans les positions : (1/4,1/4,1/4); (1/4,3/4,3/4); (3/4,1/4,3/4); (3/4,3/4,1/4) et Chaque atome se trouve ainsi au centre d’un tétraèdre régulier dont les sommets sont occupés par un atome de l’autre espèce et Chaque atome de (Cd) est entouré de quatre atomes de (Te ,Se ,S). La structure hexagonale est constituée de deux réseaux hexagonaux décalés l’un par rapport à l’autre de 3/8 du paramètre C. La maille élémentaire est constituée deux atomes de groupe II occupant les sites (0, 0, 5/8) et (2/3, 1/3, 1/8) et deux atome de groupe VI occupant les sites (0, 0, 0) et (2/3,1/3,1/2). Par conséquent un atome du type II est entouré de quatre atomes du type VI disposés aux sommets d’un tétraèdre régulier. La structure wurtzite possède un empilement de type ABABAB dans la direction [0001].

Effets de Polarisation:

La structure cristalline cubique du type zinc-blende ne présente pas de centre de symétrie, et une polarisation électrique apparaît sous l’effet de déformations le long d’axes polaires tels que la direction cristallographique [111]. Dans les hétérostructures CdTe/CdZnTe à puits quantiques, la différence de paramètre de maille entre les différentes couches de matériaux produit des contraintes et des déformations le long de l’axe [111][16]. Dans ce cas les contraintes internes génèrent un champ piézo-électrique. L’ hétérostructures CdTe/Cd1-xZnxTe présente un champ piezoélectrique de 2 105V/cm pour x=0.344 et désaccord de paramètre de maille de 2%. Ces héterostructures sont particulièrement prometteuses en vue de réaliser des cellules solaires du fait qu’elles sont très sensibles à variation du champs piézo-électrique. Suivant la direction [111] le champ piézoélectrique est donné par[17]: C C C xx E e C C piezo 2 4 2 3 2 11 12 44 11 12 14 0   e14 : est un tenseur piézo-électrique C44: constante d’élasticité L’effet piézo-électrique produit un champ électrique à l’intérieur du puits quantique, orienté perpendiculairement au puits, les porteurs de charge (électrons et trous) sont soumis à un gradient de potentiel qui incline les bandes à l’intérieur du puits. La figure III-10 représente la structure de bande d’un puits piézoélectrique de type I. En l’absence de contrainte, dans les barrières, nous considérerons que les barrières sont plates. Dans nos calculs nous avons pris la valeur expérimentale e14 = 0.035 C/m² [18] et C44 =(2.0700.001) G Pa[19] Sur la figure III-11, nous représentons la variation du champ piézo-électrique en fonction de la composition d’alliage du zinc. Pour x=0.344 le champ piézo-électrique est de l’ordre de 2 (mV/A°). Sur la figure III-12, nous représentons la variation de l’énergie de confinement sans et avec champ piézo-électrique. Nous remarquons que ce champ affecte beaucoup les états de conduction, ils sont poussés vers les grandes énergies

Conclusion:

Nous avons présenté dans ce chapitre les propriétés électroniques des hétérostructures contraintes II-VI qui cristallise dans la phase zinc-blende pour l’hétérostructure CdTe/CdZnTe. Le modèle que nous avons élaboré en se basant sur la théorie de la masse effective, nous a permis de mettre en évidence les effets dus à l’interaction KP et les effets du désaccord de maille pour la structure CdTe/CdZnTe Les calculs effectués pour la structure de la bande de conduction et de valence en utilisant le modèle parabolique pour la bande de conduction et le modèle de Luttinger Khon H4x4 diagonalisé en H2x2, montrent que les états de conductions sont plus confinés du fait de la grande valeur du band off set de la bande de conduction par contre les états de valence sont affectés par la largeur du puits et l’état de trous léger et confiné dans la bande de valence. Nous avons montré que la contrainte affecte les états de conduction vers les faibles énergies et pousse les états de valence vers le fond du puits ce qui réduit la transition excitonique. Nous avons ensuite montré que cette structure est le siège d’u champ piézoélectrique important de l’odre de 2mV/A° pour x=0.344, ce champ affecte les états de conduction ils sont poussés vers les grandes énergies par contre les états de valence sont moins affectés du fait de la faible valeur du band off set. Cela induit une augmentation de l’écart énergétique et par conséquent une diminution de l’énergie de transition vers des longueurs d’onde dans l’infrarouge. Nous avons également montré que cette structure présente un cycle d’hystérésis (effet ferroélectrique) et une transition de phase de second ordre. La combinaison de ces effets permet de transformer dans cette structure les radiations thermiques en un courant électrique et d’augmenter le rendement quantique d’une cellule solaire.