Photopile à jonction verticale parallèle sous éclairement monochromatique et sous irradiation

Introduction 

Les photopiles sont sensibles aux environnements dans lesquels ils évoluent et de nombreux facteurs peuvent être à l’origine de leur dysfonctionnement. Ce chapitre traite des environnements radiatifs spatial, atmosphérique et terrestre et les effets des radiations sur les composants électroniques en particulier les photopiles. Nous ferons aussi la synthèse de travaux déjà effectués par quelques chercheurs sur les thèmes que nous aborderons dans cette présente thèse.

 Nature de l’irradiation 

 Environnement radiatif spatial : Les principales composantes de l’environnement radiatif spatial sont classées, suivant leur origine, en quatre catégories : le vent solaire, les éruptions solaires ; le rayonnement cosmique et les ceintures de radiations

Le vent solaire 

 Le vent solaire (Figure I-1) est un plasma peu dense résultant de l’évaporation de la couronne solaire .Les photographies du soleil prises lors d’éclipses où à l’aide d’un coronographe font apparaitre d’immense flammèches qui s’étendent jusqu’à plus de 10milions de kilomètres du soleil. On visualise ainsi le vent solaire ; la densité du plasma de 1012 cm-3 au niveau du soleil, tombe à 10 particules/cm3 au niveau de l’orbite terrestre. Ce plasma est essentiellement constitué d’électrons, de protons et d’hélium (7 à 8%) La figure représente au milieu le soleil avec tout autour l’atmosphère solaire ou couronne. Le vent solaire rapide est expulsé des régions autour des pôles, Nord et Sud, du soleil à la vitesse de 800Km/s, alors que le vent solaire lent afflue de la zone équatoriale à 350Km/s. Le vent solaire est immergé dans un champ magnétique

 Les éruptions solaires

Figure I-1 : [3] Chapitre I : Etude bibliographique Alioune B. Dieng- thèse unique- LASES – FST-UCAD-2016 20 Durant les éruptions solaires (Figure I-2), d’importants flux de protons énergétiques sont produits et atteignent la terre. Le champ magnétique terrestre protège une région de l’espace proche de la terre de ces particules (bouclier géomagnétique), mais elles atteignent facilement les régions polaires et les hautes altitudes telles que les orbites géostationnaires. Les éruptions solaires suivent un cycle de 11 ans, appelé cycle solaire ou cycle magnétique, constitué d’environ 4 ans de faible activité et 7 ans de forte activité ponctuée par des événements mineurs, majeurs et exceptionnels. Figure I-2 : éruption solaire 2003 captée par SOHO. [3] On peut distinguer deux types d’éruptions solaires : – Les éruptions solaires à protons : Leur durée de vie va de quelques heurs à quelques jours. L’émission principale est constituée de protons d’énergies importantes (jusqu’à quelques centaines de MeV).Parmi ces éruptions solaires à protons on note : les éruptions solaires ordinaires (OR : ORdinary events) et les éruptions solaires majeures (ALE : Anomalously Large Event) -Les éruptions solaires à ions lourds, dont l’émission principale est constituée d’ions lourds. Ces éruptions envoient des ions de forte énergie (quelques dizaines de MeV par nucléon, à quelques centaines de GeV par nucléon) .

Le rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique a été découvert par V. Hess en 1912 grâce à des mesures effectuées à partir de ballons sondes. Il est constitué de 1% d’ions de très grande énergie (Energie 1 MeV), de 85% de protons, de 2% d’électrons et de 12% d’hélium. L’origine de ce rayonnement est mal connue. On sait toutefois qu’une partie, correspondant aux ions les plus énergétiques, est extragalactique et que l’autre partie est galactique. Les flux de ces particules sont faibles, mais parce qu’elles comportent des ions lourds énergétiques, elles induisent une très forte ionisation quand elles traversent la matière : certains ions atteignent l’énergie de 1021 eV. 

 Les ceintures de radiations 

 Le champ géomagnétique terrestre peut piéger de façon plus ou moins stable les particules (essentiellement électrons et protons). Il en résulte la présence de « ceintures de radiations », structures toroïdales situées à l’intérieur de la magnétosphère. Les ceintures de radiations sont essentiellement constituées d’électrons d’énergie allant jusqu’à quelques MeV. Les ceintures de radiations se présentent sous la forme d’un tore. Les particules sont piégées dans le champ magnétique terrestre. Le tableau ci-dessous résume la provenance et la nature des particules rencontrées dans l’espace ainsi que leur énergie et leur flux dans la magnétosphère. Tableau 1: Nature et énergies des particules des ceintures de radiations.

 Environnement radiatif atmosphérique et terrestre 

 Influence du rayonnement cosmique 

 La terre et environnement immédiat sont protégés des radiations cosmiques par son champ magnétique et son atmosphère. Ceux-ci constituent un véritable écran semiperméable arrêtant la plus grande partie des radiations issues de l’espace .L’environnement radiatif atmosphérique résultent essentiellement de l’interaction des particules primaires, issues du rayonnement cosmique, avec les atomes constituant les molécules de l’atmosphère (entre autre : 78% d’azote et 21% d’oxygène) . L’énergie des particules primaires peut être supérieure au GeV. Les rayonnements les moins énergétiques (Energie  1 GeV) sont renvoyées dans l’espace par le champ magnétique terrestre avant d’atteindre l’atmosphère. Les premières collisions entre les rayons énergétiques (Energie 1 GeV) ont lieu aux alentours de 50km d’altitude. Cette succession de réactions produisant des particules est appelée cascade neutronique. Elle crée des générations de nouvelles particules (« rayons cosmiques secondaires ») qui pourront atteindre le sol. Ces rayons terrestres d’origine cosmique sont constitués de neutrons(n), de protons(p), de pions ( ), de muons ( ), d’électrons(e- ) et de photons (). Toutes ces particules peuvent potentiellement interagir avec la matière. Les énergies de ces particules sont comprises entre 0 et 1011 eV. 

 Le rayonnement alpha

Le rayonnement alpha est issu de l’activité tellurique de certains éléments lourds présents à l’état de trace dans les matériaux utilisés dans la fabrication des semiconducteurs. La radioactivité « fossile » ou tellurique est la réminiscence de la formation de notre planète. Il y’a plusieurs milliards d’années, la terre a été formée par des isotopes radioactifs crées dans les étoiles. Ces atomes sont dits radioactifs ou instables car ils émettent spontanément des particules pour atteindre un état plus stable : c’est la décroissance radioactive. Il existe plusieurs formes de décroissances radioactives qui produisent des particules alpha (noyaux d’Hélium), des particules béta (électrons) et des particules gamma (photons). Seule la décroissance alpha produit une particule avec un pouvoir ionisant suffisamment important au regard de la sensibilité des mémoires. Les atomes radioactifs fossiles (Uranium 235,238, et Thorium 232) sont présents dans toute matière naturelle à l’état de trace. Dans les circuits intégrés, ces impuretés sont présentes soit dans le composant luimême, soit dans son environnement poche.

Le nucléaire civil 

L’essor du nucléaire civil s’accompagne d’un nombre croissant de réacteurs nucléaires, d’usines de production ou de retraitement de combustibles, d’usines de traitement de déchets ,ou encore d’installation de stockage de déchets qui constituent autant de sources de contamination pour les composants électroniques qui sont exposés à des flux de particules radioactives. .2) Impact technologique de l’irradiation : Une simple particule chargée de haute énergie traversant un matériau semiconducteur est susceptible d’injecter des centaines d’électrons dans la bande de conduction, accroissant le bruit électronique et provoquant un pic de signal dans un circuit analogique, ou faussant les calculs dans un circuit numérique. A plus forte  énergie, c’est la qualité même des matériaux, par conséquent leurs propriétés physiques, qui peut être définitivement dégradée, conduisant à la destruction pure et simple du composant irradié. Deux types d’effets directs des radiations sur les composants électroniques sont à considérer :  Les défauts cristallins induits par les particules subatomiques ainsi que par les photons gamma de très grande énergie, Ils perturbent le réseau cristallin et provoquent des désordres irrémédiables en multipliant les centres de recombinaison. Ceci a pour effet de neutraliser l’essentiel des porteurs minoritaires et donc de modifier sensiblement les propriétés électroniques des matériaux irradiés.  Les effets ionisants provoqués par des particules chargées, y compris celles dont l’énergie est trop faible pour induire des défauts cristallins, sont généralement transitoires mais peuvent conduire à la destruction des composants touchés, notamment par l’effet de latch-up (les latch-ups sont des états anormaux de dispositifs électroniques qui ne répondent plus aux signaux d’entrée) On peut aussi noter les dommages appelés single event effect (SEE) qui sont produit par une seule particule ionisante qui traverse un dispositif micro-électronique .La création d’une paire électron-trou par l’impact d’une particule peut interrompre la réponse habituelle des circuits électroniques. Les effets appelés single event upsets (SEU) sont produits en particulier par des ions lourds du rayonnement cosmique primaire ou des secondaires engendrés dans l’atmosphère par un proton primaire de haute énergie. Tous ces effets peuvent être à l’origine de courants électriques parasites sources de dommages permanents et irréversibles pour les composants électroniques. .3) Irradiation en laboratoire : La production de défauts dans les matériaux est une conséquence directe de l’irradiation. Ces défauts affectent les propriétés physico-chimiques des matériaux et sont en particulier à l’origine du «vieillissement sous irradiation », étudié en laboratoire, et qui limite la durée de vie de dispositifs ou d’équipements utilisés dans des applications comme l’électronucléaire ou le spatial. Mais les défauts induits par irradiation n’ont pas une nature différente des défauts natifs dans les solides, et les irradiations peuvent constituer une méthode de choix pour l’étude des propriétés de tels défauts ainsi que la relation entre la structure des matériaux et leurs propriétés. L’irradiation est utilisée comme une technique de contrôle des propriétés des matériaux car elle intervient comme une méthode d’étude des propriétés physiques fondamentales des solides. Par ailleurs, les techniques d’irradiation permettent d’obtenir des états physico-chimiques qui ne sont pas atteignables par les méthodes classiques de synthèse, et ainsi de concevoir de nouveau matériaux. La structure des défauts dans les solides fait l’objet d’études théoriques. Un exemple spécifique de propriétés nouvelles qui peuvent être obtenues par irradiation est celui de la nanostructuration des matériaux. C’est par exemple le cas pour l’irradiation aux ions lourds relativistes permettant d’obtenir des membranes polymères nanoporeuses avec des tailles et des géométries de pores contrôlées au nanomètre prés. Par ailleurs, les techniques de radiogreffage ou de croissance électrochimique en matrice, permettent d’obtenir à l’aide de telles membranes, mais aussi à l’aide de nanoparticules polymères obtenues par voie chimique, des nanomatériaux complexes ou hybrides avec des applications dans les domaines allant du biomédical à la dépollution, de la fabrication de nanocapteurs magnétostrictifs ou de membranes échangeuses de protons pour piles à combustibles. Une autre méthode de nanostructuration par irradiation consiste à piloter par irradiation les propriétés de précipitation-dissolution de solutions solides, ce qui permet d’obtenir des colloïdes avec des distributions de tailles que la synthèse par voie chimique ne permet pas d’atteindre. De nombreux travaux scientifiques ont été réalisés par des équipes de recherches afin d’étudier l’impact technologique des radiations sur les équipements électroniques. A titre d’exemples, nous allons citer les travaux suivants : .4) Radiation damage in silicon detectors (H. W. Kraner et al, 1983) Les auteurs de ce travail présentent les effets de l’irradiation sur des détecteurs au silicium. Ils montrent les principaux types d’effets observes; -Augmentation de courant de fuite et de la durée de collecte de charge -Réduction de la mobilité des porteurs et de la sensibilité à l’éclairement – Augmentation du temps de montée du signal de sortie (article M. A. O. Moujtaba) Les auteurs, partant de la relation empirique entre le coefficient de dommage donné ci-dessous et le type de radiation, proposent un résumé de valeurs de coefficients de dommage pour des particules données et des énergies particulières.    Kl 0 11 Dans cette équation, Kl désigne le coefficient de dommage, Φ l’énergie d’irradiation, τ0 et τ la durée de vie des porteurs avant irradiation et celle après irradiation. (I-1)  Ils trouvent que pour les particules de haute énergie le coefficient Kl est de l’ordre de 10-8 tandis qu’il est de l’ordre de 10-6 pour celles de plus faible énergie. Les auteurs terminent en montrant l’effet des recuits thermiques sur l’énergie de gap. I.5) Radiation effect test for single-crystalline and polycrystalline silicon solar cells (G-H. Shin et al, 2008) Ce travail présente les résultats de l’irradiation de photopiles mono et polycristallines par des protons d’un accélérateur de protons. Les photopiles sont soumises à deux énergies différentes avec deux flux différents (20,3MeV et 3,24.1011 particules/cm2 , puis10, 7MeV et 2,28.1011particules /cm2 ). Les auteurs comparent ensuite les performances des photopiles avant et après irradiation pour un lot de 16 photopiles et montrent que ces dégradations pour les photopiles polycristallines sont 5% inférieures à celles des monocristallines. De plus, les dégradations sur les polycristallines vont jusqu’à 30% et celles des monocristallines à 35%. La dégradation de performance peut dans le cas être présentée par la relation        0 0 1   CLogDD Où D désigne la performance après irradiation et D0 celle avant irradiation ; Φ0 est un Coefficient d’ajustement et Φ l’énergie d’irradiation.