Les cellules solaires à base des composés chalcopyrites

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Techniques de réalisation des semi-conducteurs

Introduction

Plusieurs techniques d’élaborations ont été utilisées dans la réalisation des semi-conducteurs, qu’ils soient monocristallins ou polycristallins. Ces techniques diffèrent selon la nature du matériau, simple comme le silicium, ou composé de plusieurs éléments comme les matériaux chalcopyrites Cu(In, Ga)Se. On distingue trois grandes familles de techniques:
1. Les techniques de croissance à partir d’un bain fon du.
2. Les techniques qui utilisent une croissance en solution.
3. Les techniques qui utilisent une phase vapeur.

Les techniques de croissance à partir d’un ba in fondu

Introduction

Pratiquement toutes les productions des matériaux destinés à la fabrication des composés électroniques ou microélectronique sont obtenues grâce aux techniques de croissance à partir d’un bain fondu (figure II.1).

Technique de Bridgman et ses variantes :

L’une des premières techniques mises en place pour la conception des lingots est la technique de Bridgman. C’est la technique la plus répondue pour la réalisation et la croissance des lingots. Elle consiste à chauffer le matériau à l’intérieur d’un tube de forme spécifique au dessus de son point de fusion, puis on le refroidi lentement sur toute sa longueur d’une extrémité à l’autre. Ce processus peut être fait dans une géométrie horizontale ou verticale (figure II.2 et II.3). Les deux Techniques permettent de réaliser plusieurs lingots avec différentes concentrations dans un seul tube en même temps [25], [26], [27], [28]. A cet effet, on peut extraire plus de 20 lingots de CIGS du même tube. Les échantillons obtenus sont de bonne stœchiométrie et contiennent peu de défauts. Ces échantillons sont, soit utilisés pour des mesures,soit pour des tests au laboratoire [29], [30], soit enfin, comme sources d’éléments à déposer par les techniques utilisant la phase vapeur.
Il existe une autre variante de la technique de Bridgman, c’est la technique de Bridgman Stockbarger, qui utilise le même principe que la technique de Bridgman verticale avec quelques modifications. La technique de Bridgman Stockbarger a été utilisée par T. Cizecker [31] pour réaliser le composé CIGS sous une pression élevé et en utilisant plusieurs tubes simultanément avec des concentrations différentes dans chaque tube (figure II.4). Le contrôle de la pression à l’intérieur des tubes est fait grâce à un four spécial et une couche isolante de B2O3. Cette couche empêche le sélénium très volatil des’échapper du tube. Cela a permis d’obtenir des échantillons avec une bonne morphologie et contenants peu de défauts.

Technique de Czochralski :

Cette technique (figure II.5) est plus adéquate pour une production de masse ; elle est utilisée dans l’industrie pour le tirage des lingots de grandes dimensions et de forme cylindrique, permettant ainsi de faciliter les manœ uvres de réalisation des cellules solaires

Technique de refroidissement normal (NF) :

C’est l’une des techniques la plus simple dans son principe. On introduit un tube dans lequel on place les produits, puis celui-ci est placé dans le four (figure II.6). Après un échauffement et un refroidissement graduel, on obtient des échantillons CIGS de bonnes qualités [32].
La forme spéciale du tube et du système d’échauffement se rapproche de la technique de Bridgman, la séparation entre les deux compartiments permet de démarrer la cristallisation d’un bout à l’autre, et d’améliorer la qualité des échantillons obtenus. L’utilisation du gaz d’argon permet de purifier l’enceinte dans le cas o u le tube se fissure au cours de l’expérience et évite ainsi l’oxydation de l’échantillon et sa pollution par des impuretés indésirables [33].

Technique de Fusion de zone:

Cette technique a deux avantages, elle permet d’une part de réaliser des lingots de grandes dimensions, en pilotant la croissance d’une extrémité à une autre par le déplacement d’une zone fondue (figure II.7). La zone est réalisée enutilisant des bobines parcourues par un courant de haute fréquence qui se déplace d’un boutà l’autre du lingot créant une surface solide liquide en mouvement. D’autre part, la zone fondue permet de purifier le matériau en croissance en drainant les impuretés par le phénomène de diffusion et sous l’effet de la chaleur vers l’autre extrémité.

Les techniques qui utilisent une croissance en solution:

Introduction :

Les techniques utilisant une croissance en solution sont très peu utilisées dans l’élaboration des matériaux. Cette limitation est due au volume des échantillons obtenus qui reste inférieur comparé aux autres techniques existantes.L’organigramme de la figure II.8 montre les différentes techniques utilisées pour l’élaboration du CIGS. Parmi ces techniques, seules la technique THM donne des échantillons de grandes dimensions.

Technique (THM):

La technique de déplacement de chaleur (THM) est une méthode appropriée pour l’obtention des matériaux semi-conducteurs (figure II.9). Les échantillons sont obtenus à des températures plus basses par rapport à leur température de fusion, grâce au déplacement de la solution qui donne l’avantage de purifier l’échantillon des impuretés au cours de son passage. Ainsi, l’échantillon peut croître avec beaucoup moins de contraintes [34]. L’inconvénient de la technique est celui que cause l’interface solide liquide qui influe sur le gradient de température et crée des perturbations dans la répartition des concentrations. De plus, l’utilisation d’une vitess e de cristallisation très lente empêche une production de masse [35].

Technique d’électrodéposition :

La technique d’électrodéposition a beaucoup évoluéedepuis sa création, ce développement est dû au nombre toujours croissant d’applications de cette branche. En effet, beaucoup de secteurs technologiques ou la technique d’électrodéposition constitue un composant essentiel dans la réalisation des composés. Le dépôt est réalisé en créant une charge négative sur l’objet, qui est recouvert par son immersion dans une solution contenant un sel du métal à déposer. Les ions métalliques du sel portant une charge positive sont ainsi attirés par l’objet (figure II.10). A.M. Fernandezet al [36] ont pu réaliser grâce a cette technique des couches minces de CIGS sur un substrat de Molybdène avec peu de microfissures.

Epitaxie en phase liquide :

L’épitaxie en phase liquide consiste à faire croître le matériau en mettant en contact le substrat avec la solution liquide (figure II.11). L’avantage de cette technique est de faire croître plusieurs couches sur le substrat. Ainsi, on peut réaliser des multicouches.

Les techniques qui utilisent une phase vapeur:

Introduction :

Les techniques utilisant une phase vapeur pour la croissance, permettent de réaliser des couches minces de différents matériaux avec des tailles de grains relativement petites par rapport aux autres techniques. Plusieurs méthodes utilisant le principe de cette technique ont été mises en œuvre pour réaliser le composé CIGS (figure II.12).

Technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :

Le dépôt en phase vapeur (CVD) est une technique dans laquelle, le ou les constituants d’une phase gazeuse réagissent pour former un filmsolide sur un substrat. Les composés volatils du matériau à déposer sont éventuellementdilués dans un gaz porteur et introduits dans une enceinte où sont placés les substrats. Le film est obtenu par réaction chimique entre la phase vapeur et le substrat chauffé. Dans certains cas, une élévation de la température est nécessaire pour maintenir la réaction chimique. La technique CVD est un domaine interdisciplinaire, il comprend un ensemble de réactions chimiques, un processus thermodynamique et cinétique, et le phénomène de ansporttr (figure II.13).

La technique de dépôt CVD organométallique (OMCVD) :

C’est une variante de la méthode CVD dans laquelle l’un au moins des précurseurs est un organométallique, une illustration de cette technique est représenté par la figure II.14. Le choix du dépôt CVD organométallique résulte de diverses considérations : il permet de limiter le risque de toxicité, pas de problème de vide poussé, et les réactions se produisent à des températures basses, ce qui minimise l’inter diffusion. Le choix de précurseurs appropriés permet d’uniformiser les températures decroissance. I.H. Choi et al [37] ont pu réalisés des couches de CIGS sur des substrats de Mo et de GaAs à des températures de dépôt de 320°C et ayant subit un traitement thermiq ue à 500°C.

Technique de transport de vapeur dans un espace fermé (CSVT) :

La technique de transport de vapeur dans un espace fermé (CSVT) utilise des températures modérées avec un appareillage simple, elle permet ’avoird des échantillons à faible coût. Cette technique est utilisée pour réaliser des couches absorbantes de CIS et de CIGS [38],
[39]. Elle se compose d’un tube de quartz placé verticalement au dessus de la source de chaleur, de l’iode solide déposé à l’étage supérieudu tube et utilisé comme élément de transport (figure II.15). Le substrat et la source des éléments à déposer sont séparés par une épaisseur de quartz de 0.5 à 2 cm, appelée entretoise de quartz qui forme l’espace fermé. La source est une pastille compressée des différents matériaux à déposer.

Dépôts physique en phase vapeur (PVD) :

Comme son nom l’indique, c’est une technique utilis ant la phase vapeur des matériaux, elle se démarque de la technique CVD par une production de films beaucoup plus denses, elle n’utilise pas de réactifs chimiques donc moins polluante. Son principe est plus simple que celui de la technique CVD. Ils existent plusieurs variétés de la technique PVD :

Technique d’évaporation :

Le matériau à déposer est mis dans un creuset, puisil est chauffé jusqu’à ce qu’il s’évapore et se dépose sur le substrat par effet de condensation. Pour l’évaporation, on utilise soit un filament réfractaire par effet Joule, soit un faisceau d’électrons intense et énergétique, ou enfin, une source laser (figure II.16).

Technique de co-évaporation :

Cette technique est utilisée pour faire croître plusieurs matériaux en même temps, c’est la technique la plus adéquate pour réaliser des couches minces de CIGS à des températures de dépôt relativement basses. Ainsi, G. Voorwinden [40], T. Negami [41] et O. Lundberg [42] ont réalisés des dépôts CIGS à des températures de600°C et 500°C respectivement. La technique de co-évaporation utilise plusieurs sources en même temps et permet de régler les différentes concentrations des éléments. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte pour pouvoir obtenir des couches de bonnes qualités, comme la vitesse de dépôt qui dépend de la température de la source, la distanceentre le creuset et le substrat, la vitesse de déplacement du substrat et aussi le coefficient de collage des espèces évaporés (figure II.17).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre. I Théorie de base des cellules solaires
I.1 Introduction
I.2 L’effet photovoltaïque
I.4 Les cellules solaires à base des composés chalcopyrites
I.4.1 Les cellules à base de CIGS
I.4.2 Les principales composantes de la cellule à base de CIGS
I.4.3 Principe de fonctionnement de la cellule solaire
I.5 Circuit équivalent d’une cellule solaire
I.6 Autres types de cellules à base de CIGS
I.7 Conclusion
Chapitre. II Techniques de réalisation des semi-conducteurs
II.1 Introduction
II.2 Les techniques de croissance à partir d’un bain fondu
II.2.1 Introduction
II.2.2 Technique de Bridgman et ses variantes
II.2.3 Technique de Czochralski
II.2.4 Technique de refroidissement normal (NF)
II.2.5 Technique de Fusion de zone
II.3 Les techniques qui utilisent une croissance en solution
II.3.1 Introduction
II.3.2 Technique (THM)
II.3.3 Technique d’électrodéposition
II.3.4 Epitaxie en phase liquide
II.4 Les techniques qui utilisent une phase vapeur
II.4.1 Introduction
II.4.2 Technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
II.4.2.1 La technique de dépôt CVD organométallique (OMCVD)
II.4.3 Technique de transport de vapeur dans un espace fermé (CSVT)
II.4.4 Dépôts physique en phase vapeur (PVD)
II.4.4.1 Technique d’évaporation
II.4.4.2 Technique de co-évaporation
II.4.5 Epitaxie par jet moléculaire (EJM) ou (MBE)
II.5 Conclusion
Chapitre. III Etude des composés chalcopyrites
III.1 Les différents composés chalcopyrites
III.1.1 Introduction
III.3 La formation de la structure chalcopyrite
III.4 Etude du composé CIGS
III.4.1 Propriétés du CIGS
III.4.2 Les différentes phases du composé Cu (In, Ga) Se2
III.4.3 Résultats obtenus sur le CIGS
III.5 L’effet des défauts ponctuels sur les propriétés électriques du composé CuInGaSe2
III.6 Conclusion
Chapitre. IV Optimisation des paramètres d’élaboration du composé CuInGaSe2
IV.1 Introduction
IV.2 Optimisation des paramètres d’élaborations des lingots CuInGaSe2
IV.2.1 L’étalonnage du four
IV.2.2 Propriétés des éléments de base
IV.2.3 La pesée des éléments
IV.2.4 Préparation et développement de la croissance des lingots CuInGaSe2
IV.2.5 Réalisation du CIGS
IV.3 L’analyse par diffractions des rayons X
IV.4 Conclusion
Conclusion générale
Références