Les cellules solaires en couche mince

GÉNÉRALITÉS SUR LES COUCHES MINCES

Les techniques permettant de réaliser des matériaux en couches minces sont très nombreuses. L’histoire des machines et de la technologie de dépôt de matériaux en couches minces a beaucoup évolué depuis les années soixante. Cela peut s’expliquer par la croissance de la demande industrielle de matériaux en couches minces. Parallèlement à la variété des méthodes de dépôt, les types de matériaux produits en couches minces ne font qu’augmenter : isolants, semi-conducteurs, polymères, supraconducteurs, etc. Leurs applications s’étendent sur plusieurs disciplines : microélectronique, optique, mécanique, chimie biomédicale, etc. En plus, le développement d’un grand nombre de techniques d’analyses des surfaces, le contrôle de plus en plus précis des paramètres intervenant lors du dépôt et une meilleure compréhension des processus de croissance des matériaux en couches minces ont favorisé le développement industriel de ces matériaux [1]. Dans ce chapitre nous énumérerons d’abord les cellules solaires en couche mince, ensuite les cellules solaires à base de CIGS et enfin faire une présentation détaillée de la cellule CIGS étudiée.

Définition d’une couche mince :

Une couche mince est une fine couche d’un matériau déposé sur un autre matériau, appelé « substrat » dont l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur a été fortement réduite de telle sorte qu’elle varie de quelques « nm » à quelques « μm » (typiquement ce sont des couches de 10 … 100 nanomètres d’épaisseur). Cette faible distance entre les deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques, très souvent un petit nombre de couches atomiques possède des propriétés très différentes. Par exemple la réflexion optique ou l’absorption peuvent être maîtrisées de manière très précise, de même pour la conductivité électrique. La différence essentielle entre le matériau à l’état massif et celui en couches minces est liée au fait que dans l’état massif on néglige, généralement avec raison le rôle des limites dans les propriétés, tandis que dans une couche mince ce sont, au contraire, les effets li és aux surfaces limites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l’épaisseur sera faible plus cet effet bidimensionnelle sera important. En revanche, lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seuil, l’effet d’épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif .

Les cellules solaires en couche mince :

Principe de Fonctionnement des cellules solaires à base de couches Minces La cellule solaire est un composant semi-conducteur qui convertit l’éclairement incident en puissance électrique. Le phénomène mis en jeu, l’effet photoélectrique, consiste à l’apparition d’une différence de potentiel produite par la génération de porteurs de charge par excitation lumineuse au voisinage d’une jonction. La cellule solaire est composée de deux semi-conducteurs dont l’un est dopé N (électron majoritaire) et l’autre est de type P (trou majoritaire) séparés par une jonction PN dont le fonctionnement est basé sur l’absorption du flux lumineux solaire L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière .Un semi-conducteur intrinsèque est un matériau pur et ne possède aucun défaut cristallin. La transition des électrons entre la bande de valence et la bande de conduction est rendue possible uniquement par activation thermique. Le niveau de Fermi est situé à égale distance de la bande de valence et de la bande de conduction, c’est-à-dire qu’il y a autant d’électrons dans la bande de conduction, que de trous dans la bande de valence.

Ces matériaux peuvent être dopés en semi-conducteur de type P ou de type N. Le dopage de type P est assuré par l’introduction de défauts de type accepteur dans la structure du matériau (lacunes, atomes de valence inférieure aux autres atomes constituant le réseau cristallin…), qui conduit à un excès de trous dans la bande de valence. Les trous sont alors les porteurs majoritaires. Le niveau de Fermi est dans ce cas proche de la bande de valence. Le dopage de type N est assuré par l’introduction de défauts de type donneur dans la structure du matériau (lacune, atomes de valence supérieure aux autres atomes constituant le réseau cristallin…), qui conduit à un excès d’électrons dans la bande de conduction. Les électrons sont alors les porteurs majoritaires. Le niveau de Fermi est dans ce cas proche de la bande de conduction. I.2.1.2- La jonction P-N La mise en contact d’un semi-conducteur de type P et d’un semi-conducteur de type N crée une jonction P-N. Cette mise en contact va entrainer une migration des porteurs majoritaires de chaque semi-conducteur de part et d’autre de la jonction afin d’équilibrer les niveaux de Fermi. Cette migration va conduire à un appauvrissement en porteur de la zone située à proximité de l’interface des deux semi-conducteurs, laissant ainsi des charges fixes sur des ions, chargés négativement dans la partie P et positivement dans la partie N. Dans cette zone de déplétion, appelée zone de charge d’espace (ZCE), le semi-conducteur de type P devient chargé négativement, et le semi-conducteur de type N devient chargé positivement. Une différence de potentiel ( ainsi un champ électrique orienté de P vers N. En dehors de la ZCE, les semi-conducteurs restent neutres. Un schéma représentant les diagrammes énergétiques des deux semi- conducteurs avant et après leur mise en contact est représenté sur la Figure I-2. Lorsque les deux semi-conducteurs sont issus d’un même matériau, on parle d’homojonction (comme les cellules solaires à base de silicium). Lorsqu’ils sont issus de matériaux différents, On parle d’hétérojonction (comme les cellules à base de CIGS).