EFFET DU CHAMP ELECTRIQUE SUR UNE PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE

EFFET DU CHAMP ELECTRIQUE SUR UNE PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE

EFFETS DU CHAMP ELECTRIQUE SUR LES PARAMETRES ELECTRONIQUES DE LA PHOTOPILE INTRODUCTION

 Le développement de la recherche en plein essor, a conduit à la conception de nouvelles variétés de photopiles plus performantes : les photopiles à jonction verticale [1]. Ces photopiles sont disponibles sous deux formes : les photopiles à jonction verticale série et celles à jonction verticale parallèle [24-26]. La détermination des paramètres caractéristiques des photopiles à jonction horizontale et à verticale [27,28] a été l’objet de plusieurs investigations élaborées sous diverses conditions expérimentales [29-33]. Dans ce chapitre, nous apportons notre contribution à cette dynamique de recherche sur le comportement en régime statique des porteurs de charge minoritaires en excès dans la base d’une photopile au silicium à jonction verticale parallèle, placée dans un champ électrique externe. La photopile étudiée présente une certaine particularité liée à sa structure, qui présente une parfaite symétrie entre les différentes parties qui la constitue. Ainsi, l’essentiel de notre étude est confiné entre deux jonctions à travers lesquelles les porteurs vont migrer pour être collectée. Dans ce chapitre nous évaluerons les effets respectifs du champ électrique, de la profondeur et de l’intensité d’irradiation lumineuse sur la densité des porteurs de charges et sur tous les autres paramètres électroniques de la photopile. 

 DENSITE DES PORTEURS DE CHARGES MINORITAIRES

 Nous présentons sur la figure 1 une n-p-p+ [34] cellule solaire sous éclairage multi spectral. Afin d’étudier l’influence du champ électrique externe sur le comportement des porteurs de charges dans la majeure partie de la base de la cellule solaire. Nous appliquons une différence de potentiel et nous étudions dans la théorie de la base quasi neutre (QNB) [35]. La polarisation externe crée un champ électrique interne qui influence le mouvement total des porteurs de charge. Ce champ électrique est la somme du champ électrique externe résultant de la polarisation et du champ électrique interne de la cellule solaire. La figure 1 représente le schéma de la photopile à jonction verticale

PHOTOTENSION

 Au cours du phénomène de diffusion déclenchée par l’éclairement de la photopile, des électrons dont les énergies ne suffisent pas pour leur permettre une traversée de la jonction s’accumulent au voisinage de la zone d’espace et de charge. Cette accumulation de charges au niveau de la jonction est à l’origine d’une différence de potentiel considérée comme étant la phototension. La relation de Boltzmann nous a permis d’obtenir l’équation (1.6) caractérisant la phototension.     2 , , , 0, , , , 1 (1.6) b ph T i z Sf E n Ln z Sf E n N V V n              Modélisation de la phototension La figure 24 représente une modélisation sous Simulink de l’équation (1.6). Figure 24: Schéma du modèle mathématique de la phototension A partir de l’équation (1.6), sont obtenus les figures 24 à 32. La figure 25 est le profil de la phototension en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction Sf des porteurs minoritaires.

 EFFET DU CHAMP ELECTRIQUE SUR UNE PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE SOUS ECLAIREMENT POLYCHROMATIQUE

 Figure 25: Profil de la phototension Vph en fonction de Sf La figure 26 est une représentation en 3 dimensions de la figure 25. Figure 26: Profil en 3 D de la phototension en fonction de Sf Les figures 25 et 26 montrent que pour les faibles valeurs de la vitesse de recombinaison à la jonction (𝑆𝑓) la phototension est maximale et égale à la phototension de circuit ouvert. Ensuite aux grandes valeurs de 𝑆𝑓 (au voisinage du court-circuit), la phototension diminue considérablement en tendant vers une valeur nulle. En effet, pour de faibles valeurs de la vitesse de recombinaison à la jonction, les porteurs de charges ne possèdent pas une énergie suffisante pour traverser la jonction. Ainsi, ces porteurs s’accumulent à la jonction et par conséquent, la phototension augmente. Pour les grandes valeurs de la vitesse de recombinaison, les porteurs réussissent à traverser la jonction et entrainent par la suite une baisse considérable de la phototension. 

EFFET DU CHAMP ELECTRIQUE SUR UNE PHOTOPILE AU SILICIUM A JONCTION VERTICALE PARALLELE SOUS ECLAIREMENT POLYCHROMATIQUE

 Effet du champ électrique sur la phototension. La figure 27 représente le profil de la phototension en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (𝑆𝑓) des porteurs minoritaires pour différentes valeurs du champ électrique. Figure 27: Profils de V Sf ph   pour différentes valeurs du champ E La figure 28 est une représentation en 3 dimensions de la figure 27. Figure 28: Profils en 3D des de V Sf ph   pour différentes de E Les figures 27 et 28 permettent d’observer une croissance de la phototension délivrée par la photopile en phase avec l’augmente du champ électrique extérieur  Effet du nombre de soleil sur la phototension La figure 29 représente le profil de la phototension en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (𝑆𝑓) des porteurs minoritaires pour différentes valeurs du nombre de soleil n. Figure 29: Profils de V Sf ph   pour différentes valeurs de n La figure 30 est une représentation en 3 dimensions de la figure 29. Figure 30: Profils en 3D de V Sf ph   pour différentes valeurs de n Les figures 29 et 30 permettent d’observer une croissance de la phototension en phase avec l’augmente du nombre de soleil (n). Effet de la profondeur sur la phototension La figure 31 représente les profils de la densité de propension en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (𝑆𝑓) des porteurs minoritaires pour différentes valeurs de la profondeur z. Figure 31: Profils de V Sf ph   pour différentes valeurs de z La figure 32 est une représentation en 3 dimensions de la figure 30. Figure 32: Profils en 3D des de V Sf ph   pour différentes valeurs de z Les figures 31 et 32 illustrent une diminution de la densité de phototension au fur et à mesure que l’on pénètre en profondeur dans le matériau semi-conducteur. 

 CAPACITE DE LA PHOTOPILE 

Les porteurs de charges stockés de part et d’autre de la jonction (électrons du côté de la base et trous du côté de l’émetteur) entraînent l’établissement d’un condensateur dont l’expression de la capacité est donnée par l’équation (1.7) :       , , , , , , (1.7) , , , ph z Sf E n C z Sf E n q V z Sf E n    Modélisation de la capacité de la photopile La figure 33 représente une modélisation sous Simulink de l’équation (1.7). Figure 33: Schéma du modèle mathématique de la capacité A partir de l’équation (1.7), sont obtenus les figures 33 à 42. La figure 34 représente le profil de la capacité en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (𝑆𝑓) des porteurs minoritaires. Chapitre 1 : Effets du champ électrique sur les paramètres électroniques de la photopile 22 Figure 34: Profil de la capacité en fonction de la vitesse Sf La figure 35 est une représentation en 3 dimensions de la figure 34. Figure 35: Profil en 3D de la capacité en fonction de la vitesse Sf Effet du champ électrique sur la capacité La figure 36 représente le profil de la capacité en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction Sf des porteurs minoritaires pour différentes valeurs du champ électrique. Figure 36: Profils de la Capacité C Sf   pour différentes valeurs de E La figure 37 est une représentation en 3 dimensions de la figure 36. Figure 37: Profils en 3D de la capacité C Sf   pour différentes valeurs de représente les profils de la capacité en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction (Sf) des porteurs minoritaires pour différentes valeurs du nombre de soleil (n). Figure 38: Profils de la Capacité C Sf   pour différentes valeurs de n La figure 39 est une représentation en 3 dimensions de la figure 38. Figure 39: Profils en 3D de la capacité C Sf   pour différentes valeurs de n représente les profils de la capacité en fonction de la vitesse de recombinaison à la jonction des porteurs minoritaires pour différentes valeurs de la profondeur. Figure 40: Profils de la Capacité C Sf   pour différentes valeurs de z La figure 41 est une représentation en 3 dimensions de la figure 40. Figure 41: Profils en 3D de la capacité C Sf   pour différentes valeurs de 

ETUDE DE LA CAPACITE SOUS OBSCURITE C0

 L’intersection de l’axe des ordonnées et la courbe représentative du logarithme népérien de la capacité en fonction de la phototension correspond à la valeur de 𝐿𝑛(𝐶0 ). La figure 34 représente la détermination de la capacité sous obscurité 𝐶0 . Figure 42: Détermination de la capacité sous obscurité C0

 CARACTERISTIQUE COURANT-TENSION 

Pour voir si la photopile est idéale ou non nous avons tracé la figure 43 représentant la caractéristique densité de photocourant-phototension. Figure 43: Profil de la caractéristique courant-tension (I-V) La figure 43 est la représentation en 3D de la figure 42. Figure 44: Profil en 3D de la caractéristique (I-V) Les figures 43 et 44 permettent de constater sur que la densité de photocourant est maximale aux faibles valeurs de la phototension correspondant au photocourant de court-circuit puis elle diminue pour les grandes valeurs de la phototension correspondant au fonctionnement de la photopile en circuit ouvert. Effet du champ électrique sur la caractéristique courant-tension La figure 45 représente la caractéristique courant-tension pour différentes valeurs du champ électrique.