ETUDE THEORIQUE DE L’EFFET DU TAUX DE DOPAGE SUR LA PHOTOPILE A JONCTION VERTICALE SERIE

PRESENTATION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA PHOTOPILE A JONCTION VERTICALE SERIE

Présentation

Une photopile est composée de trois parties essentielles :  Émetteur : une zone frontale dopée en atomes donneurs (n) avec un taux de dopage variant de 1017 à 1019 atomes.cm-3 et dont l’épaisseur est très faible environ 1µm, où les porteurs minoritaires sont les trous.  Base : une zone dopée en atomes accepteurs (p) avec un taux moins élevé variant de 1015 à 1017atomes.cm-3 et dont l’épaisseur est beaucoup plus significative allant jusqu’à 400µm ; les porteurs minoritaires sont les électrons.  Zone de charge d’espace (ZCE) : elle se trouve entre l’émetteur et la base et il y règne un champ électrique intense qui permet de séparer les paires électron-trou créées qui arrivent à la jonction. La photopile à jonction verticale série est alors une succession de cellules élémentaires connectées en série à l’aide d’un métal conducteur. On peut la matérialiser par le schéma suivant.  Figure II-1: Schéma de connexion en séries des cellules à jonction verticale .

Principe de fonctionnement 

Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur trois mécanismes:  absorption des photons (dont l’énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;  Conversion de l’énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création de paires électron/trou dans le matériau semi-conducteur ;  Collecte des particules générées dans le dispositif.

LA DUREE DE VIE ET LE COEFFICIENT DE DIFFUSION DES PORTEURS MINORITAIRES DANS LA BASE

Expressions Le coefficient de diffusion (qui traduit la plus ou moins bonne capacité du matériau à laisser diffuser les porteurs) des électrons générés dans la base ; il dépend du dopage Nb de la base à travers la relation [6] 1 8 2,3 10 1 81 1350 )(*     b b T N N V D Nb (II-1) La durée de vie des porteurs minoritaires en excès dans la base correspond au temps mis par un porteur avant de se recombiner. Ce temps dépend aussi du dopage de la base selon l’équation de suivante

Profils de la durée de vie des porteurs en fonction du dopage

Le profil de la densité des porteurs minoritaires dans la base en fonction du dopage est présenté à la figure (II-2). Figure II-2: Profil de la durée de vie des porteurs minoritaires en fonction du taux de dopage. 

Profil de la durée de vie des porteurs minoritaires en fonction du dopage

Le profil du coefficient de diffusion de porteurs minoritaires dans la base en fonction du dopage est présenté à la figure (II-3). Figure II-3 : Profil du coefficient de diffusion des porteurs minoritaires en fonction du taux de dopage. Ces deux figures montrent que le coefficient de diffusion ainsi que la durée de vie des porteurs minoritaires diminuent avec le taux de dopage de la base.En effet, plus le dopage est grand, plus la probabilité qu’ un porteur se recombine est elevée et ceci a comme double conséquence : la diminution de la possibilité de diffuser ( le coefficient de diffusion) et la décroîssance du temp mis par les porteurs avant de se recombiner(la durée de vie des porteurs minoritaires) .

ETUDE DE LA DENSITE DES PORTEURS MINORITAIRES DE CHARGE DANS LA BASE

Résolution de l’équation de continuité

Les porteurs minoritaires de charges générés dans la base de la photopile, sous l’effet de l’éclairement en lumière blanche, sont des électrons de charges –q. Ces porteurs générés dans la base obéissent à l’équation de continuité qui traduit que les charges sont conservées. En considérant les phénomènes de génération, de recombinaison et de diffusion des porteurs minoritaires en excès dans la base [8,9,10], cette équation s’écrit : (II-3) Où : δ(x) Désigne la densité des électrons générés dans la base, D* désigne le coefficient de diffusion des électrons dans la base en fonction du taux de dopage L* désigne la longueur de diffusion des électrons dans la base, G(z) taux de génération de porteurs minoritaires L’expression du taux de génération est donnée par :    3 1 )exp(.)( i nzG ai biz (II-4) ai et bi sont des coefficients tabulés du rayonnement solaire sous AM=1.5 n’étant le nombre de soleil, dans la suite nous prendrons n = 1. [10] Au tableau II.1, nous donnons les valeurs des coefficients ai et bi .