Numéro d'ordre: 148
Année 1991
REPUBLIQUE DE COTE D'IVOIRE
UNION mCIPLINE TRAVAIL
MlNISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE CHARGE
DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET SECONDAIRE
1
1
Z1~L. T·F
s~Sts
CIENCES ..TECHNIQUE
THE8E
Présentée à la Faculté des Sciences et Techniques
de IUniversité Nationale de Côte d'Ivoire
pour l'obtention du
Doctorat 3ème cycle
par
Adama SYLLA
Soutenue le 08 Mai 1991 devant la commission d'examen composée de:
M.
ACHY S.
Protèsseur à la F.A.S.T
PRESIDENT
(Université Nationale de Côte d'Ivoire)
!'.1-
DJAFARI Rouhani M.
Maître de conférence à IU.P.S.
RAPPORTEUR
(Uruversité Paul Sabatier de Toulouse)
MM.
TOURE S.
Professeur à la F.A. S.T
EXAMINATEUR
(Université Nationale de Côte d'Ivoire)
DOUMBIA I.
Maître de conférence à la F.A.S.T.
EXAMINATEUR
(Université Nationale de Côte d'Ivoire)
KOMENA K.
Maître Assistant à la F.A.S.T.
EXAMINATEUR
(Université Nationale de Côte d'Ivoire)
1

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---

A la mémoire de mon père
A ma mère
Pour l'effort honorable qu'ils ont fourni quant à l'éducation de leurs entànts. Ici
rien ne me rend plus heureux que de. pouvoir leur exprimer toute ma reconnaissance.
N'est-ce pas un devoir que d'être reconnaissant et respectueux envers ses
parents. Dieu dans sa divine connaissance des choses nous le demande dans le Coran:
"Nous avons recommandé à l'homme le respect pour ses parents.
Sa mère l'a porté souffrance sur souffrance et l'a allaité deux ans.
Soit reconnaissant envers moi (Dieu) et envers tes parents.
Vers moi (Dieu) est le devenir"
(Sourate Lukman verset 14)
A mes frères et soeurs
Avec toute mon affection, je vous remercie d'être restés à mes côtés pendant tout
ce travail.
A mon ami Adama Koné
Pour ses encouragements et soutiens dans les moments difficiles. Je lui adresse
ici un vif remerciement.

---

ü
LISTE DES SYMBOLES
Eg
Bande interdite du semi-conducteur (ev)
E ou hv
Energie des photons (ev)
cr
Coefficient d'absorption (cm- 1)
11%
Rendement
C
Facteur de concentration
np, Pn
Concentration des électrons et trous respectivement dans les
régions N etP.L'indice 0 dans npo et Pno indique ces mêmes
concentrations à l'équilibre. (cm- 3)
EFn, EFp Niveaux de Fermi des électrons et des trous (ev)
V, Vco
Tension et tension de circuit-ouvert aux bornes de la photopile (v)
FF
Facteur de forme
Champ électrostatique (v/cm)
In, Ip
Densités de courant des électrons et des trous (mA/cm2)
Â,
Longueur d'onde (Jl.Dl)
q
Charge électrique de l'électron (c)
Un, Up Taux nets de recombinaison des électrons et trous (cm-3/s)
D n, Dp Constantes de diffusion des électrons et trous (cm2/s)
Durées de vie des minoritaires électrons et trous
(s)
Mobilités des électrons et des trous (cm2/v-s)
Longueurs de diffusion des électrons et des trous (cm)
Vitesses de recombinaison des électrons et des trous respectivement
dans les régions P et N (cm/s)
Excès de porteurs électrons et trous
(cm- 3)
Constantes de Boltzmann (J/K) et température thermodynamique (K)
Concentrations des impuretés donneurs et accepteurs (cm-3)
Epaisseur de la zone de charge d'espace (cm)
Courant de génération optique idéal et ce même courant qui représente le
courant de court-circuit de la photopile (mA/cm2)
A
Facteur d'idéalité
R
Coefficient de réflexionl

---

fi
AVANT-PROPOS
Le sujet de ce mémoire m'a été proposé par Monsieur
D. Estève
Directeur de recherche au CNRS et responsable du groupe S.LP. (Système Intégré de
Perception) en collaboration avec l'I.R.E.N. (Institut de Recherche sur les Energies
Nouvelles) et le département de physique de la F.A.S.T.(Faculté de Sciences et
Techniques). En fait, à Abidjan j'avais entamé une étude sur la conversion
photovoltaïque à partir d'une cellule à multijonctions interdigitées au silicium. Les
conseils de Monsieur D. Estève sont orientés vers le multispectrale pour une
conversion plus performante de l'énergie solaire en électricité. Par ailleurs, la
structure qu'il me propose présente d'autres perspectives très intéressantes dans
l'optoélectronique. Je lui suis très reconnaissant pour m'avoir accueilli dans son
groupe où j'ai effectué l'essentiel du travail dé ce mémoire.
Je remercie Monsieur le professeur Achy Seka, responsable du département de
physique, pour avoir élaboré et suivi l'acheminement de mes dossiers de demande de
bourse. Arrivé en France, je me suis aperçu de ce que la durée du stage ne me
permettait pas d'aborder l'ensemble du sujet de mon travail. J'ai donc saisi Monsieur
Achy Seka de cette nouvelle situation. Je le remercie vivement pour l'aide qu'il m'a
accordée quant à la prolongation de la durée de mon séjour au L.A.A.S. Je le
remercie également pour l'honneur qu'il me fait en présidant mon jury de thèse.
La recherche n'est pas une tâche évidente encore moins dans nos pays en voie
de développement. Elle nécessite la volonté, le courage et la persévérance dans le
travail. Je tiens à remercier Monsieur Touré Siaka Directeur de l'LR.E.N. et
professeur à la F.A.S.T. pour son soutient constant et les conseils réguliers qu'il m'a
donnés dans ce sens.
ee travail n'aurait pu aboutir sans la collaboration de Monsieur Djafari
Rouhani maître de conférence à l'U.P.S. (Université Paul Sabatier (Toulouse».
Pendant tout mon séjour au L.A.A.S. il s'est montré disponible pour les discussions
quant
à
la
compréhension
même
du
sujet
de ce travail et la rédaction du
mémoire. Je le remercie vivement pour ce encadrement efficace qu'il m'a accordé et
pour sa participation au jury de ma thèse.
Monsieur Kouadja Komenan est à l'origine de mon stage au L.A.A.S. Je lui
exprime ici toute ma gratitude pour l'effort important qu'il a fourni, surtout pour
l'obtention d'une bourse d'étude auprès du Ministère de l'Education Nationale chargé
de l'Enseignement Supérieur et Secondaire. Je le remercie également pour l'aide

---

IV
constant qu'il m'a accordé durant tout mon séjour en France en dépit des difficultés
liées à la distance qui nous séparait.
Monsieur Haidara Daouda, professeur à la F.A.S.T. et Directeur de la D.O.B.
(Direction de l'Orientation et des Bourses), a soutenu mes dossiers de demande de
bourse pour la période 1989-1990. Il nous a donné des conseils trés utiles pour la
procédure administrative à suivre ce qui nous a permis d'avoir une suite favorable
assez rapidement. Qu'il trouve ici l'expression de mes sincéres remerciements.
Enfm je remercie tous les permanents de l'IREN et du groupe S.I.P. du
L.A.A.S.,tous ceux et toutes celles qui m'ont exprimé leur amitié pendant ce
travail. 2

---

v
SOMMAIRE
Pages
INTRODUCTION GENERALE
1
CHAPITRE
1 : PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE
5
INTRODUCTION
6
1-1
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES PHOTOPILES
7
1-2
PERTES
9
1·3
DEFINITION DES P ARAMETRES
12
1-4
EQUATIONS DE TRANSPORT DANS LES SEMI-CONDUCTEURS
14
1-5
APPLICATION AUX PHOTOPILES
15
1-6
CELLULE FONCTIONNANT AVEC CONCENTRATION
17
CONCLUSION
19
CHAPITRE
II: CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE MULTISPECTRALE
20
INTRODUCTION
21
11-1
SPECTRE SOLAIRE
22
11-2
THEORIE DE LA CONVERSION MULTISPECTRALE
23
11-3
APPLICATION A DEUX PHOTOPILES
25
11-4
TECHNOLOGIE DES PHOTOPILES MULTISPECTRALES
30
II-S
INTERET DE LA CONVERSION MULTISPECTRALE
36
CONCLUSION
38
CHAPITRE
III: MODELISATION D'UNE PHOTOPILE MULTISPECTRA.LE
39
INTRODUCTION
40
I1I-1 APPLICATION DES EQUATIONS DE TRANSPORT A DEUX PHOTOPILES EN
SERIE
41
1II-2
MATERIAUX A UTILISER GaAs, Hg\\.][CdxTe (Justification)
.44 (bis)
1II-3
PROPRIETES DES MATERIAUX UTILISES (ordre de grandeur des paramètres
electroniques)
47
I1I-4
DESCRIPTION DETAILLEE DES PARAME TRES DU MODELE
56
I1I-S
PROCEDE DE SIMULATION
57
CONCLUSION
66
CHAPITRE
IV: RESULTATS
67
INTRODUCTION
68
IV-1
PROCEDE D'OPTIMISATION
69
IV-2
OPTIMISATION DE LA PHOTOPILE
75
IV-3
SENSIBILITE AUX VARIATIONS DES PARAMETRES
I03
IV-4
ETUDE DU GAIN PAR RAPPORT A GaAs UTILISE SEUL
112
CONCLUSION
123
CONCLUSION GENERALE
125
BIBLIOGRAPHIE
129

---

INTRODUCTION GENERALE

---

2
La crise pétrolière des années 70 a incité la recherche à s'orienter vers des
sources d'énergies nouvelles et renouvelables de substitution telles que l'énergie
solaire, thermique, éolienne, géothermique et nucléaire. Bien qu'aujourd'hui le
pétrole occupe la première place parmi les sources d'énergie, l'intérêt porté aux
énergies de substitution n'a subi aucune altération. Cependant, en ce qui concerne
les sources d'énergies dites écologiques ainsi que le nucléaire, les pays avancés ont
revisé leur position compte tenu des dangers inhérents à l'utilisation de
ceUX-Cl
(pollution atmosphérique, traitement des déchets radioactifs, intoxication...). Par
contre le soleil, à l'échelle humaine, représente une source d'énergie inépuisable non
polluante et donc un domaine important d'investigation. Parmi les objectifs visés par
la recherche, la conversion directe de l'énergie solaire en électricité est primordiale.
En effet, à l'heures actuelle, l'électricité solaire est une forme d'énergie ayant de
nombreux usages et avantages. Plusieurs procédés de production d'électricité sont
connus et exploités (barrage hydroélectrique, centrale nucléaire.). Cette production
peut se faire également par conversion photovoltaïque dans des photopiles. Celles-ci
sont des composants électroniques dont le matériau actif est un semi-conducteur.
Exposées aux rayonnements solaires, elles développent une différence de potentiel
capable de fournir une puissance à un circuit extérieur.
A l'horizon 2000, la production de l'électricité par la VOle solaire sera
déterminante dans la perspective d'une amélioration des conditions de vie et de
l'électrification des régions isolées que l'on ne peut insérer dans le réseau nationale
d'électrification, particulièrement dans les pays en voie de développement. Pour ces
derniers qui disposent d'un gisement solaire considérable, l'électricité solaire
permettra des réalisations de premières nécessités parmi lesquelles nous pouvons
citer:
- l'alimentation en électricité des installations sanitaires reculées par des petits
générateurs autonomes.
- le pompage d'eau potable de consommation et de l'eau pour le bétail en zones
rurales.
- éclairage des villages isolés
La recherche pour la production de l'électricité solaire sont orientées vers trois
objectifs essentiels:
- le développement de nouvelles techniques de fabrication des photopiles et
panneaux.
INTROOUCïION GENERALE

---

3
- la recherche de matériaux aptes à la réalisation de photopiles économiques.
- la conception et la mise au point de photopiles à haut rendement.
Dans ce mémoire nous nous intéressons à ce dernier point. Notons que des
efforts considérables ont été consacrés au développement de cette filière [1] [2] [3].
Plusieurs modèles ont été élaborés et des photopiles réalisées. Le rendement est
meilleur lorsque la photopile fonctionne
conjointement avec un système de
concentration solaire[2]. Trois voies ont été explorées dans cette filière:
- les multijonctions interdigitées aux contacts arrières, qui ne souffrent pas des
effets d'ombre et dont les résistances séries sont assez réduites, peuvent fournir un
courant ou une tension importante suivant qu'elles soient en parallèle ou en série.
Sous concentration (C=100; AMI,5) et dans le cas du silicium, le rendement peut
atteindre 27,5% [1].
- le GaAs dont le gap (appellation anglaise de la bande interdite), est de 1,43ev,
correspondant au
rendement théorique maximum[4], a
permi
d'élaborer des
photopiles performantes. La vitesse de recombinaison en surface qui est très élevée
pour ce matériau (106 -107 cm/s) est considérablement réduite en faisant croître une
couche AIGaAs sur la tàce éclairée de la photopile PIN. Le rendement de 26%
obtenu sous concentration (C=700; AMl,5) est meilleurs comparativement au
silicium 21% (C=90; AMl,5)[3].
- le modèle multispectrale dont l'idée a été proposée par Jackson en 1958[5], met
en jeu plusieurs cellules adaptées chacune à une tranche du spectre solaire. Ces
cellules peuvent être soit indépendantes soit empilées en utilisant la propriété de
transparence de chaque matériau. Les investigations dans ce domaine résultent de
l'impossibilité d'améliorer notablement le rendement de la conversion avec une seule
jonction du fait des pertes importantes liées à ce mode de conversion[5] [6].
La photopile que nous nous proposons d'étudier, dans le cadre de la
conversion multispectrale, est le tandem Hgl-xCdx Te/GaAs. Ce choix est lié au fait
que l'hétérostructure Hg1_xCd,.Te/GaAs présente un double avantage:
- elle est bien adapté pour une utilisation dans le cadre de l'imagerie et la
détection infrarouge. Le composé Hgl-xCdxTe est le meilleur matériau semi-
conducteur pour la détection infrarouge. Mais le manque de substrat de haute qualité
électronique a orienté la recherche vers des matériaux alternatifs tel que GaAs qui
satisfont ces conditions (très grande mobilité) [7](8][9].
INI'ROOUCTION GfNERALE

---

4
- le GaAs a un gap optimum, mais il est transparent a une tranche importante du
spectre (hv < 1,43ev). Par contre, Hg1-xCdxTe a un gap allant de -0,3ev à 1,6ev [10].
Il peut être utilisé pour la conversion photovoltaïque dans tout le domaine du visible
ou infrarouge. Aussi, l'hétérostructure Hg1_xCdxTe/GaAs peut être utilisé pour une
meilleur conversion de l'ensemble du spectre solaire. C'est ainsi que dans le premier
chapitre, nous allons rappeler les éléments de base pour la compréhension de la
physique des photopiles, à savoir:
- leur principe de fonctionnement.
- les paramètres essentiels de fonctionnement.
- les équations de transport.
Le second
chapitre
sera
consacré
à
la
théorie
de
la converSlOn
multispectrale que nous appliquerons au cas particulier de deux jonctions. Nous
allons décrire d'abord la technologie des photopiles multispectrales en mettant en
relief les difficultés inhérentes à la juxtaposition de deux matériaux de propriétés
cristallines différentes. Nous exposerons ensuite l'intérêt de ce mode de conversion.
Le troisième chapitre traitera du modèle multispectrale que nous étudions. Nous
donnerons la solution des équations de transport dans le cas de la photopile à deux
jonctions connectées en série et présenterons les propriétés des matériaux impliqués.
Le quatrième chapitre portera sur l'optimisation de la photopile et le procédé utilisé
pour cette opération. Après avoir exposé les résultats obtenu, nous étudierons la
sensibilité du modèle aux différents paramètres physiques et géométriques.
!N11IDOucnON GENERALE

---

5
CHAPITRE 1: PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE
INTRODUCfION
1-1
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES PHOTOPll..ES
1-2
PERTES
1-2-1
Perte par réflerion
1-2-2
Pertes intrinsèques
1-2-3
Pertes par ombrage et effetjoule
1-3
DEFINTI10N DES PRINCIPAUX PARAMETRES
1-3-1
La densité de courant de court-circuit lcc
1-3-2
La tension de circuit-ouvert Vco
1-3-3
Le facteur de forme FF
1-3-4
Le rendement de conversion T'fA
1-4
EQUATIONS DE TRANSPORT DANS LES SEMI-CONDUCTEURS
1-5
APPUCATION AUX PHOTOPILES
1-6
CELLULE FONCTIONNANT AVEC CONCENTRATION
CONCLUSION

---

6
INTRODUCTION
Parmi les différentes formes d'énergie, l'option photovoltaique est d'un intérêt important
lié à son large domaine d'application et aux progrès physiques et technologiques quant à la
compréhension et la réalisation des photopiles et panneaux solaires. Dans ce premier chapitre
nous étudierons le dispositif fondamental de la conversion photovoltaïque. Nous donnerons
d'abord les facteurs qui limitent ses perfonnances et ensuite les paramètres essentiels.
CHAPITRE 1

---

7
1-1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES PHOTOPILES
La conversion directe du rayonnement solaire en électricité est une application de l'effet
photovoltaïque. L'outil fondamental de la conversion photovoltaïque est la jonction P-N
(figure 1-1). Elle s'obtient en dopant un semi-conducteur avec des impuretés convenables.
L'effet photovoltaïque apparaît dans cette structme du fait qu'à l'interface entre les régions P et
N, existe un champ électrostatique dirigé de N vers P. Le rôle de ce champ électrique interne
est de collecter les paires électron-trous créées par absOIption de l'énergie incidente. La
figure 1-1 montre le principe de fonctionnement d'une photopile: lorsque le dispositif est exposé
à la lumière du soleil, les photons incidents sont absorbés au cours de leur propagation dans le
matériau semi-conducteur. L'on définit le coefficient d'absorption par la variation relative de la
densité de photons par unité de longueur. Cette absorption se traduit par la création de paires
électron-trous par unité de volume et par unité de tèmps. Le nombre de porteurs créés, désigné
par le taux de génération, est d'autant plus faible que la profondeur d'absorption est grande. La
création des porteurs se fait dans les régions P, N et dans la zone de déplétion notée Z sur la
figure 1-1.
r - - - - - - - - - -
V
(0
' - -
VYin
..J.-
--+~y
figure 1-1: Schéma de bande d'énergie d'une homojonction et
principe de fonctionnement.
Dans les régions électriquement neutres P et N, les porteurs minoritaires diffusent vers
l'interface où ils sont propulsés par le champ électrique vers les zones où ils sont majoritaires.
Ces porteurs créent un photocourant de diffusion. Dans la zone de charge d'espace Z, les
porteurs créés sont dissociés par le champ électrique. Les électrons sont draînés vers la région
.
CHAPITRE!

---

8
N et les trous vers la région P. Ces porteurs créent un photocourant de génération. Ces deux
courants s'ajoutent pour donner le photocourant de la cellule. Dans le cas où la photopile est
composée de deux cellules montées en série suivant Wle configuration monolithique (figure
1-2), pour assurer la circulation d'un même courant entre les deux cellules, celles-ci sont
électriquement liées par une jonction tunnel. Le gap de cette jonction doit être au moins égal A
celui de la première cellule. Dans le cas contraire, la jonction tunnel devient optiquement
active. La circulation du même courant est rendue possible grâce aux discontinuités du bord
des bandes. Les barrières de potentiel Llli2 et Llli4 confinent les trous et les électrons
respectivement dans les régions 2 et 4. Ainsi, le déplacement des électrons dans la jonction
tunnel se fait quasiment de la région N de la première cellule vers la région P de la seconde
cellule et celui des trous dans le sens inverse.
J.
~EIo
l
P
·91
P
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N
1
1
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N
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1
1
1
1
,.
1
1
1
i
i
0
y
YI
y2
Y3 YI.
yS
yU
figure 1-2: Schéma du diagramme de bande de deux cellules montées en série en configuration
monolithique.
La collection des porteurs est en compétition avec les phénomènes de recombinaison en
surface et en volume: la perte en surface est due aux états de surface qui proviennent des
liaisons insatisfaites, des oxydes natifs,... La densité de ces défauts dépend des conditions de
préparation de la surface. La perte en surtàce est décrite par la vitesse de recombinaison
superficielle. En volume, la recombinaison se produit par annihilation mutuelle d'un électron et
d'un trou libres. Cette recombinaison dans le semi-conducteur peut se faire soit directement par
la rencontre des deux particules, soit indirectement par l'intermédiaire d'une impureté vraie.
Celle-ci joue en quelque sorte le rôle d'agent de liaison. Elle piège l'électron qui à son tour, et
par attraction coulombienne, attire un trou ce qui provoque l'annihilation des delL'< particules.
Les centres recombinant proviennent des défauts du réseau cristallin et des impuretés vraies qui
CHAPITREI

---

9
s'infiltrent dans le matériau lors de sa croissance. Mais les pertes en surface et en volume par
recombinaison ne sont pas les seules qui limitent le photocournnt et le rendement de la
photopile.
1-2 PERTES
1-2-1 Perte par réflexion
Une partie du flux solaire incident est perdue par réflexion â l'interface air-semi-
conducteur. L'énergie disponible après réflexion est fonction du coefficient de réflexion:
CD
/).;1 =J;0 (E)(1- R(E»dE
(1-1)
o
où <Do(E) est le flux solaire incident
Une réduction substantielle de cette perte peut être faite par un traitement antireflet de la
surface éclairee.
1-2-2 Pertes intrinsèques
Dans l'étude de la conversion solaire en électricité, le bilan énergétique met en évidence
deux types de pertes fondamentales [4][ Il]: 1lm concerne les photons d'énergie hv<Eg non
absorbés et l'autre correspond â l'excès d'énergie hv-Eg > 0 perdue lors de la thermalisation des
porteurs. L'importance de chacune de ces pertes est liées à la nature du semi-conducteur mis en
jeu. En effet, l'aptitude d'un matériau à absorber un photon d'énergie hv dépend de son
coefficient d'absorption aCE). La forme de l'absorption change suivant le caractère direct ou
indirect du gap [1][4][11]. Dans les matériaux â gap direct a.(E) est caractérisé par une
augmentation rapide à E=Eg où aCE) est de l'ordre de 104 cm-l. Au delà, a(E) évolue
pratiquement comme une tonction exponentielle de l'énergie des photons jusqu'à environ
6.104cm- 1 [1]. Pour les matériaux à gap indirect a.(E) est assez faible jusqu'à des valeurs
d'énergie de photon correspondant à la transition gap direct. La figure 1-3 représente aCE) pour
le germanium (Ge: Eg = 0,67 ev, gap indirect), le silicium (Si: Eg = 1,1 ev, gap indirect) et
l'arséniure de gallium (GaAs: Eg = 1,43 ev, gap direct). La nature directe ou indirecte du gap
pennet d'évaluer les couches sensibles qui constituent la photopile[4]. Par exemple, pour le
GaAs l'absorption de 97% du spectre AMI s'effectue sur une épaisseur de 2 jlIll alors que le
silicium absorbe 95% du même spectre sur une épaisseur de 200 !J1Il[12][13]. Les énergies
CHAPITRE!

---

10
perdues par absorption incomplète et par thermalisation sont respectivement données par les
expressions suivantes[ 1]:
rD
M
= JtPo(E)(l-R(E))(l-e-a(B)H)dE
(1-2)
2
o
li)
M
=JtPo(E)(1-R(E))e-a<E)H(E-E )dE
(1-3)
3
6
o
où H est l'épaisseur totale de la photopile. 5
1.0
1.8
2.6
3.4
4.2
5.0
Photon Energy, eV
figure 1-3: Courbes d'absorption des matériaux Ge, GaAs, Si
1-2-3 Pertes par ombrage et effetjoule
Les pertes par effet joule sont décrites par les résistance., séries. Celles-ci apparaissent à
plusieurs niveaux (figure 1-4): à l'interface semi-conducteur-métallisation sur les faces avant et
arrière (2) (5) (résistances de contact), dans les couches du semi-conducteur de part et d'autre
de l'interface P-N (3) (4) et dans l'épaisseur de la métallisation avant et arrière (1) (6)
(résistances des électrodes). Ces résistances sont le siège de chutes ohmiques qui limitent la
puissance débitée par la photopile. Les pertes par ombrage sont dues à la métallisation de la
face avant. Celle-ci diminue la surface de la photopile et par conséquent le photocourant. La
surface active optimale résulterait d'un compromis portant. sur la perte ohmique sur la tàce
avant et le taux d'ombrage. Nous récapitulons sur le tableau 1 l'ensemble des pertes et leurs
origines[ 14].
CHAPITRE!

---

11
hv
CD
" ' 0
.~
\\..4../..
T
Ci)
N
figure 1-4: Répartition des résistances séries d'une photopile PIN
Tableau 1: Mécanismes de perte d'énergie dans une cellule
Région
Mécanisme
Forme de perte
PERTES DES PHOTONS
Réflexion
Rayonnement
Couche de protection
de photons
et anti-reflexion
Absorption
Chaleur
Rayonnement
de photons et de
Grille
Ombre
chaleur
Réflexion en face
Rayonnement
avant et arrière
Photons ne
Chaleur
générant pas de
Couches actives
photoporteurs
Excès d'énergie
Chaleur
PERTES DE PORTEURS
Faces avant
Recombinaison
et arrière
superficielle
Chaleur
Couches actives
Recombinaison
Chaleur
Recombinaison
Jonction
des porteurs et
Chaleur
photoporteurs
PERTES DE PUISSANCE
Couches actives
Pertes ohmiques
Chaleur
Contacts
Pertes ohmiques
Chaleur
CHAPITRE 1

---

12
1-3 DEFINTTION DES PRINCIPAUX PARAMETRES
La performance d'une photopile est entièrement d~tennin~e par un certain nombre de
paramètres qui tiennent compte des pertes de façon globale. L'on les définit de manière
phénoménologique: Iee, VCO> FF et 11%·
1-3-1 La densité de courant de court-circuit lcc
Cette quantité est le courant fourni par la photopile lorsque la tension en ses
bornes est nulle. Elle correspond au courant de génération optique issue de l'absorption du
rayonnement solaire. Son expression est la suivante[ 1]:
lJ)
M
=JtPo
(1-4)
cc
(E)(1-R(E)) "'[.(E)dE
o
où ~) est la r~ponse spectrale. Elle est définie par le mpport entre le photocourant réellement
produit par la photopile et le courant que produirait le flux de photons qui pénètre effectivement
dans le semi-conducteur si aucune perte n'intervenait.
In(E) +l,CE) +lz(E)
(1-5)
l:.(E) =
qifJo(E)(1-R(E))
où Ip(E), In(E), lz(E) sont respectivement les contributions des régions P, N et Z au
photocourant. La réponse spectrale permet d'évaluer la sensibilité de la photopile aux
différentes longueurs d'onde et d'estimer la vitesse de recombinaison superficielle[ 15].
1-3-2 La tension de circuit-ouvert Vco
Elle correspond à la tension pour laquelle la diode à l'obscurité débite un courant égal à
Iee. C'est simplement la tension maximale que l'on obtient avec une photopile ne débitant sur
aucune charge.
'V;o = A kT In(1+ le< )
(1-6)
q
lobs
avec
1<A<2
A rend compte du mécanisme de recombinaison dominant dans le courant d'obscurité. lobs est
le courant de saturation.
CHAPITRE l

---

13
1-3-3 Le/acteur de/orme FF
Le facteur de forme ou facteur de remplissage ou encore facteur de courbe est lm
paramètre global qui mesure toutes les autres pertes. TI montre la déviation de la courbe 1-V de
la photopile par rapport au rectangle qui décrit la photopile parfaite. TI pennet de lier la
puissance maximale au produit lee·Vco:
FF = I",V",
(1-7)
lcc~o
oÙ lm. Vm est la puissance maximale.
1-3-4 Le rendement de conversion Tf/Q
Cette quantité est le rapport entre la puissance maximale dissipée dans une charge et la
puissance solaire incidente. Elle peut être calculée à partir des deux expressions suivantes:
tf/o = ImV", = FFlcc~o
.p;.p;
(1-8)
Tous ces paramètres peuvent être calculés à partir de la courbe 1(V) de la photopile
(figure 1-5). Le courant de court-circuit et la tension de circuit ouvert sont donnés
respectivement par l'intersection de la courbe avec les axes 1 et V. La puissance maximale
débitée par la cellule est représentée par la surface (hachurée) du plus grand rectangle que l'on
peut découper sur l'aire située entre la courbe et les axes 1 et V. Cette surface est donnée par les
points lm et Vm déduits de l'équation (dP/dV)=O. L'on peut remarquer que cette surface est une
fraction Oe facteur de forme) du produit lee.Vco qui représente la puissance fournie par la
cellule partàite. Connaissant le produit lm-Vm et la puissance incidente, le calcul du rendement
se fait à l'aide de l'équation (1-8).
1 (mA/cm2)
-------4----+V(v)
Vrn
V=
figure 1-5: Caractéristique 1-V d'une photopile
CHAPITRE 1

---

14
1-4 EQUATIONS DE TRANSPORT DANS LES SEMI-CONDUCTEURS
Les équations de base d'un semi-conducteur décrivent les caractères statique et
dynamique des porteurs au sein du semi-conducteur. Ce semi-conducteur, soumis à une
excitation extérieure, se déplace de l'équilibre thermique défini par l'équation np=ni2. ni est la
concentration intrinsèque des porteurs du semi-conducteur. n et p sont respectivement les
concentrations des électrons et des trous. Nous rappellions les équations nécessaires pour
déterminer les principaux paramètres, il s'agit des:
- équations du courant
Les densités de courant pour les électrons et les trous sont données respectivement par
SZE(16]:
1" =qj1"ns+ qD"gradn
(1-9)
lp = qj1pps- qDpgradp
(1-10)
Ces équations n'incluent pas un champ magnétique·exteme.
- équations de continuité
Elles sont données respectivement pour les électrons et les trous par les expressions
suivantes[ 16]:
t3 n I .
- = G -U +-dwl
(1-11)
8 1
"
" q
"
8 p = G - U - '!....divl
(1-12)
81
P
P
q
P
où Gn et Gp désignent respectivement les taux de génération des électrons et des trous. Dans
une cellule solaire l'absorption d'un photon d'énergie suffisante entraîne la création d'une paire
electron-trou. Cela veut dire que dans une photopile Gn = Gp. Dans les conditions de faible
injection (lorsque les concentrations des porteurs injectés sont très faibles devant les
concentrations à l'équilibre des porteurs majoritaires) Un et Up peuvent être approximés par les
expressions suivantes[ 16]:
œAPITREI

---

15
pour les électrons:
n, -n,o
!YI
U -
- -
(1-13)
Il
-
-
T"
T"
pour les trous:
u = p" - P"o = tip
,
(1-14)
'li
'li
où 'tn et 'tp sont respectivement les durées de vie des minoritaires électrons et trous.
1-5 APPLICATION AUX PHOTOPILES
La caractéristique courant-tension de ces générateurs photovoltaïques est la somme d'un
courant de court-circuit Iee et d'un courant d'obscurité !d. Le calcul de ces courants se fait à
partir des équations de transport en tenant compte des conditions aux limites et en utilisant des
hypothèses simplificatrices suivant le modèle physique. Dans le cas d'une jonction P-N abrupte
(figure 1-1), et dans les conditions de faible injection, les conditions aux limites à une
dimension sont [1] [15]:
dôn
enx = 0
D - = 8 M
(1-15)
" d x "
.
en x = H
D d~ =-8 An
(1-16)
, dx
p~
Ces deux équations représentent les fuites de courant vers les surfaces. Ces courants sont
proportionnels à la densité de porteurs excédentaires qui diffusent vers les surfaces. Les
coefficients de proportionnalité sont les vitesses de recombinaison superficielle Sn et Sp. Les
signes de ces courants sont liés à l'orientation de l'mœ nonnale aux surfaces et précisent que le
flux de porteurs est toujours orienté vers les smfaces du semi-conducteur.
en x = y jp
~ = npo[exp(qv 1kT) -1]
(1-17)
en x = Yjp +w
lyJ=p"o[exp(qv/kT)-l]
(1-18)
Ces deux dernières conditions sont les approximations de Boltzmann: en régime de faible
injection, les densités de porteurs majoritaires ne sont pas modifiées par la tension V aux
bornes de la photopile. Par contre, aux extrémités de l'interlace. celles des porteurs minoritaires
croissent suivant une fonction exponentielle de V. La densité de courant de la cellule à
l'obscurité est le courant de diode. Ce courant est la somme d'un courant de diffusion (A = 1)
provenant des zones neutres et d'un courant de génération-recombinaison (A = 2) provenant de
CHAPITRE!

---

16
la zone de charge d'espace. Les densités de courant de saturation de ces deux courants sont
donnees respectivement par:
1
-
2r~+~l
(1-19)
DS - qn/ 1 N L
N L J
L
a
/1
il
P
1
_
qn,w
(1- 20)
GS -
(
)112
t'II t'p
Le courant de diode s'écrit:
1d = IDS [exp(qvlkT) - 1] + Ios[exp(qvl2kT) -1)
(1-2)
Ce courant dépend de la polarisation. En polarisation inverse, c'est-à-dire lorsque V<0, la zone
de charge d'espace
est le siège d'un courant de génération thennique. En supposant que
V»kT/q, le courant de la diode s'écrit 1d = IDs-laS' L'importance relative de ces courants l'un
par rapport à l'autre dépend de la température à travers la concentration intrinsèque ni. Lorsque
la tension aux bornes de la diode est positive, ce qui est le cas dans une photopile, c'est le
phénomène de recombinaison qui domine dans la zone de charge d'espace. Pour des tensions
élevées le courant de recombinaison devient négligeable devant le courant de diffusion. A partir
du principe de superposition, le courant de la photopile s'écrit comme le courant de génération
optique diminué du courant de la diode polarisée en direct:
1 = Iee- [IDS [exp(qvlkT) -1] +Jas [exp(qv/2kT) -1]]
(1-22)
En tenant compte des résistances séries et conductance shunt le schéma équivalent de la
photopile se présente comme l'indique la figure 1-6. Aussi, le courant réellement débité par la
photopile s'écrit[12]:
+
+
1 = Iee- [Ins [exp(q(V
I.RsYlcT -1] +~s[exp(q(V +
I.RJ/2kT)-1]
Gsh (V + I.Rs)]
(1-22)
L'on peut remarquer que c'est le courant de la diode qui contient tous les facteurs susceptibles
de limiter la performance de la photopile. Hall a représenté la contribution de chaque terme du
courant de diode dans le cas du silicium[12]. TI prend pour la tension, le courant de diffusion et
de génération les valeurs courantes d'une cellule solaire au silicium (figure 1-7). Nous pouvons
noter sur la figure qu'au delà de 0,5 volt l'influence des résistances séries devient
prépondérante. Une façon d'améliorer la perfûlmance de la photopile consiste à minimiser les
paramètres du courant de diode notamment les quantités Rs, Gsh et ~s.
CHAPITRE!

---

17
1-6 CELLULE FONCTIONNANT AVEC CONCENTRATION
L'une des voies de réduction du cofit de la conversion photovoltaIque consiste à utiliser
les photopiles avec concentration. Dans ce paragraphe nous n'allons pas nous étaler sur cet
aspect d'ordre économique. Mais nous examinerons la perfonnance d'une photopile avec
concentration en dégageant les facteurs qui limitent les paramètres de fonctionnement la>VCO>
FF, T1%.
A partir des expressions de ces quantités (chapitre 1 paragraphe 1-3), et pour des
concentrations croissantes, nous pouvons tàire les remarques suivantes:
- le photocourant augmente en raison de l'accroissement du taux de génération et des
paires électron-trous collectées.
- la tension de circuit-ouvert croît proportionnellement au logarithme népérien de
IccfIobs·
- le rendement croît compte tenu de la croissance des paramètres Iee et Vco.
En réalité, la perfonnance de la cel1u1e avec concentration est limitée par l'influence néfaste,
croissant avec la concentration, des facteurs qui limitent celle de la photopile sans
concentration. En effet, dans la concentration les résistances séries augmentent. Cela est dû au
courant de court-circuit !cc qui croît proportionnellement à la concentration. Les pertes par effet
joule deviennent importantes, dégradent le facteur de fonne, élèvent la température de la
photopile. Cette montée de la température affecte sévèrement le rendement par une réduction
de la tension de circuit-ouvert. Lorsque la photopile doit fonctionner sous concentration, l'on
joue sur le dopage pour deux raisons: pallier à l'augmentation des résistances séries et à la
diminution de tension de circuit-ouvert. Mais l'on est limité par la diminution de la durée de vie
des porteurs minoritaires. D'autres problèmes à résoudre dans la concentration sont liés aux
dispositifs optiques, à la chaleur produite dans la photopile et aux matériaux semi-conducteurs
utilisés: les dispositifs de concentration optique doivent être constamment braqués vers le soleil
par un système d'orientation. En raison des contraintes mécaniques (le dispositif doit être rigide
et légé pour résister au vent violent et faciliter sa rotation. Les parties tournantes doivent être
protégées contre la poussière et les grains de sable et résister à la corrosion,...), le dispositif de
concentration peut subir des déformations. L'éclairement de la cellule n'est plus uniforme, ce
qui fait qu'elle ne peut fonctionner à son point de puissance maximale. La chaleur produite
dans le dispositif peut être évacuée de façon passive ou active. Dans le premier cas la chaleur
récupérée n'est pas utilisée. Dans le second cas le système photovoltaïque est utilisé pour
produire à la fois de l'électricité et de l'énergie calorifique. La dépendance du rendement de la
CHAPITREI

---

18
conversion photovoltaïque avec la température devient alors très critique. En effet, tous les
semi-conducteurs n'ont pas la même endurance thennique. Celle-ci dépend essentiellement de
la concentration intrinsèque qui croît comme une fonction exponentielle de la température
(ni=e-EglkT). Par exemple le silicimn (ni = 1010 cm-3) n'est pas un matériau adéquat pour un
tel système alors que l'arséniure de gallium (ni = 107 cm-3) garde une bonne performance
jusqu'à 200 oC [4].13
Li!
v
figure 1-6: Schéma équivalent d'une photopile
10"
l, lat OI1 .. ·cw'
.,,'IO··WllOlCli l
, .li·'
10"
~
lU
O.)
O..
Il'
III
III
Y IYOlU/
figure 1-7: Courant de diode calculé avec l'équation (1-23) et A = 2. IDS et los sont pris de sorte
que Li! = 40 mA/cm2 et Li2 = 2 mA/cm2, V= 0,6 v [12].
13 CHAPITRE 1

---

19
CONCLUSION
Ce chapitre a traité de l'ensemble des équations fondamentales de la photopile. En
utilisant des hypothèses simplificatrices et les conditions aux limites appropriées, nous avons
donné les composantes du courant de la photopile. Les pertes apparaissent au niveau de
l'interaction photon-matière et à la collection des porteurs photogénérés. Les différents
paramètres caractéristiques de la photopile ont été calculés en tenant compte de tous les
phenomènes susceptibles d'affecter le rendement. Une amélioration du rendement peut se faire
avec la concentration. Mais cette croissance de la perfonnance de la cellule est limitée par une
augmentation des pertes avec la concentration. Cela fixe une limite à la puissance solaire
convertible avec un bon rendement.
CHAPITRE 1

---

20
CHAPITRE II: CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE MULTISPECTRALE
INTRODUCTION
II-}
SPECTRE SOLAIRE
11-2
THEORIE DE LA CONVERSION MULTISPECTRALE
11-3
APPLICATION A DEUX PHOTOPILES
11-4
TECHNOLOGIE DES PHOTOPILES MULTISPECTRALES
11-4-}
Croissance cristalline
11-4-2
Contact ohmique
11-4-3
Traitement antireflet
11-5
INTERET DE LA CONVERSION MULTISPECTRALE
CONCLUSION

---

21
INTRODUCTION
Nonobstant
les
progrès
technologiques
qUi
réduisent
les
pertes
extrinsèques, le rendement de la conversion directe photovoltaïque à une cellule
demeure faible, comparé au rendement thermodynamique de 93% de la conversion
directe de l'énergie solaire. Ce rendement est obtenu en considérant un paquet de
flux solaire dont l'énergie interne et l'entropie sont respectivement U et S. Ce flux
est transformé en travail et chaleur cédée au milieu ambiant (T=300 k) par un
convertisseur idéal d'énergie solaire. En supposant que le flux solaire est celui d'un
corps noir à la température Ts=6000 k, l'expression de l'entropie S a pu être établie
[5]( 17]: S = 4U/3Ts' Cela a permis d'écrire le rendement théorique maximum du
convertisseur Tlmax% =
100(1
- 4T/3Ts)· La faible valeur du rendement de
conversion, qui toutefois peut être améliorée, est liée aux processus irréversible des
pertes radiatives des cellules solaires. En effet, les photopiles absorbent la lumière et
donc en émettent aussi.
Le courant radiatif produit est opposé au courant
photogénéré et donc diminue le rendement de conversion.
L'amélioration du
rendement de
conversion photovoltaïque peut
se faire
par concentration
du
rayonnement solaire. Mais l'on est limité dans cette voie par plusieurs facteurs,
notamment la température des cellules. Par ailleurs, les rendements obtenus à ce jour
sont très loin du rendement théorique thermodynamique. Le concept de la conversion
multispectrale est une voie opportune pour parvenir à une véritable amélioration du
rendement. Dans ce chapitre nous montrons comment se présente le spectre solaire
au niveau du sol et la façon convenable de l'exploiter par conversion multispectrale.
Nous évaluerons ensuite les performances idéales d'une photopile multispectrale
dans le cas de deux cellules indépendantes ou en série. Plusieurs ditlïcultés d'ordre
technologique et physique se posent, notamment pour l'élaboration des structures
monolithiques et des dispositifs optiques qui découpent le spectre solaire. Après une
étude de celles-ci, nous montrerons les avantages de la conversion multispectrale
comparée au mode de conversion à une cellule.
CHAPITRE II

---

22
11-1 SPECTRE SOLAIRE
Le rayonnement solaire est un facteur important dans la converSIOn
photovoltaIque. Ce rayonnement est celui d'un corps noir à la température de 6000 k.
Pour les cellules destinées à fonctionner au sol, l'énergie incidente subie une
atténuation due à l'absorption atmosphérique. Cette dernière dépend des conditions
atmosphériques locales telles que [1] [ Il]:
- la masse d'air traversée AM, laquelle est définie par l'angle que fait la
normale au plan horizontal et la direction du soleil, elle même dépendant de l'heure
solaire h, du jour J et de la latitude <D du lieu:
AM = l/cosf3
(2-1)
cosf3 = sin<I>*sino + coso*cosh
(2-3)
i5 est l'angle de déclinaison
- le taux de poussière, d'aérosol, de vapeur d'eau, de gaz carbonique...
En raison de cette atténuation, le spectre solaire n'est plus continu mais présente des
bandes d'absorption. La simulation du spectre terrestre exige un énorme filtrage. Les
simulations solaires présentent des distributions spectrales dépendant du lieu
géographique et des conditions atmosphériques. Cela rend difficile la comparaison
des résultats obtenus par différents laboratoires. Pour modéliser la conversion
photovoltaIque, il faut avoir à sa disposition une tabulation du spectre solaire pour
calculer les photocourants ou encore une tabulation du courant idéal en fonction du
gap. Le calcul du courant idéal se fait par intégration du spectre allant du gap à
l'infini et en supposant que chaque photon génère une paire électron-trou. Dans la
pratique le courant idéal ne peut pas être atteint compte tenu des pertes que nous
avons évoquées au chapitre 1. Pour la modélisation, nous avons utilisé les valeurs
tabulées du courant idéal du spectre AMI [18]. D'abord parce que cela nous évite un
calcul fastidieux d'intégration du spectre, ensuite ce spectre correspond au cas où la
couche atmosphérique transmet au sol le maximum d'énergie solaire.
CHAPITRE II

---

23
11-2 THEORIE DE LA CONVERSION MULTISPECTRALE
La conversion multispectrale consiste à découper le spectre solaire en
plusieurs bandes et d'adapter un semi-conducteur à chaque bande. L'on distingue
deux cas:
- les cellules peuvent fonctionner indépendamment. La figure II-l montre le cas de
deux cellules couplées par un miroir dichrolque. Ce dernier est caractérisé par sa
longueur d'onde de coupure Iv
(E
C
g = hc/lvc) de telle sorte qu'il est transparent pour
le tlux de photons d'énergie hv>E c et réfléchissant pour les photons d'énergie
hv<Ec. L'on obtient de cette tàçon deux bandes spectrales, l'une de grande énergie
destinée à la cellule de grand gap et l'autre de faible énergie destinée à la cellule de
petit gap. Ce procédé performant démontre la validité du concept multispectral [19].
rv'fais le problème épineux à résoudre est l'optique très complexe à développer pour
découper le spectre solaire.
- le cas idéal, qui consiste à empiler les cellules et de faire jouer la propriété de
transparence des matériaux. La figure II-2 présente le cas de trois jonction empilées
qui
fonctionnent comme l'indique la figure II-3:
Les semi-conducteurs étant
transparents aux photons d'énergie inférieure à leurs gaps, ils sont disposés dans
l'ordre décroissant de gap sur le trajet du rayonnement incident. C'est ainsi que la
première cellule absorbera tout le flux de photons d'énergie hv > E g3 Elle
transmettra à la seconde cellule les photons d'énergie hv < Eg3. De la même façon la
deuxième cellule absorbera les photons d'énergie Eg2 <hv < Eg3 et le flux qu'elle
transmet, est absorbé par la troisième cellule. Cette configuration monolithique
permet de convertir efficacement l'ensemble du spectre. Elle est la mieux adaptée
pour la mise en série de plusieurs photopiles [19]. Lorsque les cellules opèrent en
série, l'ensemble est limité par la cellule de plus faible courant. La puissance
délivrée sera maximale lorsque les courants de court-circuit de chaque composant
sont égaux. Dans le cas contraire, les mauvaises cellules, polarisées en inverse par
les autres, se comportent comme des résistances. Ces contraintes ne se posent pas
pour les cellules opérant séparément. C'est le cas où chaque composant fonctionne à
son propre point de puissance maximale. Il ya lieu de noter que la condition d'égal
courant n'est pas le seul critère pour définir les cellules en série dans une
configuration monolithique. Il y a aussI la contrainte imposée par les matériaux
réalisables. En effet, à l'heure actuelle, la technologie de croissance multicouche est
CHAPITRE II

---

24
limitée par la différence des paramétres de maille des matériaux À juxtaposés, ce qui
réduit la gamme des matériaux utilisable en configuration monolithique.
ftltre dichroïque
---+
---+
---+
Cell
---+
---+
nOl
---+
Radiation
---+
---+
solaire
---+
---+
incidente
----.
---+
----.
E<Ec
CeI1 0"2 Egl
tigme fi-}: Schéma de principe de deux cellules indépendantesEg2 > :Hg!
Radiation solaire incidente
contact
avant
contacts
Jonct.ion 2
transparents
Jonction }
contact arrière
figure fi-2: Représentation schématique d'une structure à trois
cellules montees en série suivant la confieuration monolithiaue
œAPITRE Il

---

25
Irradiance (w/m2-JlIIl)
/dum)
Eg (ev)
Eg]
Cellule 1
Eg2
Cellule 2
EsJ
Cellule 3
tigure ll-3 : Répartition de l'energie par effet de transparence de chaque
semi-conducteur
~
photons absorbés
---..,.'"
photons non absorbés
II-3 APPLICATION A DEUX PHOTOPILES
A
l'heure
actuelle
la
résolution
des
structures
multispectrale
monolithiques se limite à deux ou trois cellules [6][ 19]. Toute fois, une chaîne
multispectrale peut être réalisée en regroupant plusieurs structures de ce type
adaptées chacune à une bande spectrale. Par exemple le projet quadruspectrale de
Beaumont et Coll. [5] peut comporter deux tandems monolithiques couplés par un
miroir dichroïque (figure II-4). Le tandem est une mise en série de deux cellules en
cascade. Dans la structure monolithique, la connexion des deux cellules se fait par
un contact métallique ou par j onction tunnel [5][ 14]. Lorsque les cellules sont
indépendantes
le
système
est
appelé
«tandem dichroIque»
et la condition
CHAPITREH

---

26
d'egal courant n'est pas necessaire. Un tandem peut aVOlf deux, trois ou quatre
bomes.Nous presentons les cas les plus interessants [19]:
- lorsqu'il ne possède que deux bornes, la crOISsance des deux
composants
peut
se
faire
en
une
seule
opération
sur
un
même
substrat
monocristallin. L'inconvénient de cette structure est la difficulté d'évaluer chaque
composant séparément.
- dans le cas où le tandem possède quatre bornes, les composants sont
élaborés séparément et collés ensuite. Ils possèdent chacun deux bornes, ce qui
permet de faire des mesures sur chaque composant.
Nous avons tracé les courbes de rendement d'un système idéal de deux
cellules en série ou disconnectées opérant sous le rayonnement AMl. Pour chaque
couple de gaps (Egl > EgÛ auquel correspond le couple de courants (Iphl < I ph2), nous
calculons:
- les courants des cellules de la façon suivante (figure 11-5): la
photopile de petit gap Eg2 utilisée seule convertirait le spectre allant de Eg2 à l'infini.
Une partie de ce spectre allant de Eg1 à l'infini étant convertie par la cellule de grand
gap, la
photopile au petit gap ne peut utiliser que la tranche de spectre Eg2< hv
<Egl. C'est ainsi que les courants débités par chacune des photopiles s'écrit:
Il = I phl
(2-4)
h = I ph2 - Iphl
(2-5)
- la puissance totale: les tensions aux bornes des photopiles idéales
sont prises V 1 =Egl et V 2 = Eg2 . La puissance totale du système s'écrit:
PT = Il VI + 12 V 2
(2-6)
= IphlEgl + (Iph2 - I ph1 ) E g2
(2-7)
. le rendement de conversion du système. Il est donné par le rapport
entre la puissance totale délivrée par le système et la puissance solaire incidente.
TJT% = PT 1 Pi
(2-8)
Les courbes de la figure II-6 représentent le rendement idéal du système de deux
cellules montées en série ou disconnectees. Elles permettent d'identifier les couples
de gaps susceptibles de fournir un rendement élevé. En ce qui concerne les cellules
montées en série, nous avons déterminé la courbe d'égal courant en nous servant de
la table standard du courant idéal fonction du gap: pour chaque gap Eg2 , et donc à
chaque tranche spectrale, correspond un courant idéal Iph2 que nous divisons en deux
parties égales. Nous identifions sur la table standard le gap Eg1 qui doit être associé
0iAP1TREII

---

27
au premier afin qu'en série ils puissent produire un courant Iph212 . En accord avec
le principe de la conversion multispectrale, les courants des cellules se calculent
comme précédemment:
Il = I phl = I p h2/2
(2-9)
12 = Iph2 - Iphl = IphZI2
(2-10)
Le rendement d'un tel système est donné sur la figure II-6 par les points
d'intersection de la courbe d'égal courant avec les courbes d'isorendements qui
correspondent au cas où les photopiles sont indépendantes. Le rendement maximum
obtenu est de 65% correspondant au couple de gaps (Eg1 = 1,5ev ; Egz = 0,7 ev). Les
pertes précédemment signalées au chapitre I, peuvent ensuite être incluses dans le
calcul. Pour un ensemble de deux photopiles en série, le choix des gaps est très
important. Ce système peut développer une tension élevée qui, en principe, est égale
à la somme des tensions de chaque composant. En configuration monolithique, ce
système a l'avantage de découper le spectre solaire en deux bandes. Chaque tranche
spectrale sera efficacement convertie sans faire intervenir un dispositif auxiliaire
complexe et encombrant qui partage le spectre. Par ailleurs, la figure II-6 montre que
la courbe d'égal courant passe à proximité du rendement idéal maximum. Cela veut
dire que le concept de photopiles monolithiques n'est pas aberrant . Vu tous ces
avantages, un tel système mérite d'être étudié. Ainsi, l'on peut non seulement
progresser dans la recherche fondamentale, quant à la compréhension de la physique
des dispositifs électroniques utilisant des hétérojonctions, mais dégager aussi les
possibilités de réalisation.
CHAPITRE Il

---

28
filtre dichroIQue
Jonction tunnel -----,
flux solaire
C*AM(x)
.E>E
x= 1; 1,5;2
c
cell3
cell4
E<Ec
cell2 Egl
l
Tandem haut
Jonction tuJmel
Tandem bas
ceIll Eg1
figure 11-4 : Structure du système de conversion quadruspectrale. Ce système
combine un filtre dichrolque et les dispositifs les plus simples utilisant l'effet de
transparence (tandem). L'énergie Ec de partage par le filtre détermine la valeur des
quldregaps. E désigne l'énergie des photons incidents.
CHAPITREll

---

29
-....:::::>-----+ E (ev)
Eg2
E (ev)
(c)
Iph2 - lphl
_ _ _ _ _ _:::::a-._ _....E (ev)
figure II-5:Répartition du spectre entre deux cellules.
(a) spectre converti par la cellule de petit gap; (b) tranche de ce spectre
convertie par la cellule de grand gap; Cc) spectre effectivement convertie
par la cellule de petit gap.
CHAPITRBll

---

30
2
1,7
1,5
1,25
1
0,75
0,5
30%
0,25
o ""'------4t--~-~-....::::ll--_+_---l~-...f..._-_tL-+_-t_--Il--____lr_____t-__+-__+-_+.... Egl (ev)
0.25
0.5
0.75
1
1.25 1.5
1.75
2
2.25
2.5 2.75
3
3.25
3.5
3.75
4
tïgure II-6: Rendement idéal d'un système de deux cellules.Les
courbe d'isorendements correspondent aux cas où les photopiles
sont disconnectées. L'intersection de ces corbes avec la courbe d'égal
courant (11 = 12) donne le rendement du système quand les photopiles
sont montées en série.
II-4 TECHNOLOGIE DES PHOTOPILES MULTISPECTRALES
La technologie des photopiles solaires dépend beaucoup du modèle
physique, des procédés de fabrication et des matériaux mis en jeu. La fabrication des
photopiles multispectrales se fait par combinaison de plusieurs matériaux simples ou
composés et cela suppose:
. des techniques de croissance de substrats monocristallins.
- des techniques d 'hétéroépitaxie.
- des techniques de prise de contact et de traitement antireflet.
Ces différentes techniques doivent pennettre d'obtenir des couches de bonnes
qualités électroniques et optiques. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler
CHAPITREIT

---

31
l'épaisseur, la pureté et la qualité cristalline de ces couches. Les prises de contact
doivent avoir une bonne adhérence, des résistances faibles et ne pas former de
barrière schottky. Dans ce paragraphe nous allons discuter brièvement de la
technologie des cellules multispectrales incluant la croissance des couches sensibles,
la réalisation des contacts et le traitement antireflet en insistant sur les points
conduisant aux pertes.
II-4-1 Croissance cristalline [20] [21]
Il existe plusieurs techniques de production des matériaux pour
photopiles. Nous décrivons ici les procédés les plus utilisés actuellement, surtout
pour les matériaux GaAs et HgCdTe. Il s'agit de techniques d'épitaxie EJM
(Epitaxie par Jets Moléculaires), EPL ( Epitaxie en Phase Liquide) et EPV (Epitaxie
en Phase Vapeur). Nous dégageons aussi les avantages et inconvénients de chaque
méthode d'épitaxie.
EJM fait intervenir les différents corps constituant la couche épitaxiée évaporés sous
forme de jet moléculaires. Comme le montre la figure II-7, les particules sont émises
à partir de creusets que l'on chauffe à la température adéquate et dans une enceinte
ultravide (10-10 torr de pression résiduelle mais 10-5_10- 7 torr pour les composants).
Cette méthode d'épitaxie permet de faire des analyses pendant la croissance, le
contrôle de la composition des épaisseurs successives par exemple. Elle permet
également un bon contrôle des profils de dopages, des épaisseurs et de la planéité
des surfaces. Le dépôt des couches se fait à une température de l'ordre de SOO°C-
600°C (pour GaAs).
EPL (figure II-8), est une technique de croissance de couche cristalline à partir d'une
solution liquide sursaturée qui se dépose sur un substrat monocristal1in de même
composition stoechiométrique et de même paramètre cristallin. Il n'est pas toujours
nécessaire de respecter la stoechiométrie, en particulier si l'on utilise une solution.
En fait, il y a deux techniques à partir des matériaux fondus ou dissous. En solution,
le
liquide
est
constitué
d'éléments
majoritaires
(le
solvant)
et
d'éléments
minoritaires (les solutés). Sa composition est définie par les fractions atomiques de
ces solutés. Le dopage s'obtient en introduisant les éléments donneurs ou accepteurs
dans la solution. La croissance par épitaxie en phase liquide donne des couches très
pures et de bonne qualité sur plan des performances électriques et optiques (bonne
ŒAPITREII

---

32
qualité cristalline). Le dépôt se fait à des températures de 600°C-SOO°C pour GaAs
et SOO°C-7S0°C pour HgCdTe. L'inconvénient
cette
technique est
qu'elle ne
permet pas de contrôler les épaisseurs et d'obtenir des surfaces planes. Il est très
difficile
de
réaliser des couches minces (500A ° < épaisseur < IOOOA0). Par
ailleurs, le nombre de couches déposées est limité par le processus de croissance
(vitesse de croissance varie avec le temps et la température).
EPV se fait par une série de réactions chimiques. Les réactifs sont transportés par un
flux gazeux et se déposent par gradient thermique sur le substrat dont la température
est plus basse. La technique EPV permet de contrôler les épaisseurs et la planéité
des surfaces. L'on peut également procéder au nettoyage et décapage des substrats
« in situ ». Les températures de dépôt sont de SOO°C-900°C pour GaAs et de 400°C-
600°C pour HgCdTe. Cette technique nécessite cependant des composés chimiques
très
purs.
Ceux-ci
peuvent
être
inflammables
ou
toxiques
et
réagir
avec
l'appareillage. Dans le cas de HgCdTe, ce procédé d'épitaxie serait de moins en
moins utilisé du fait de l'interdiffusion entre le substrat et la couche épitaxiée. De ce
fait il est difficile d'obtenir des couches homogènes en teneur de cadmium.
En ce qui concerne le choix du dopant, il varie suivant les matériaux utilisés et la
technique d'épitaxie. Globalement il dépend de la pureté du dopant, du coefficient
de diffusion dans le matériau, de la réaction du dopant au contact de la surface, du
coefficient de distribution dans le liquide (EPL) et de la forme sous laquelle il
s'évapore (EJM).
Ultravide
Substrat
figure II-7 :Schéma de principe de l'épitaxie par jet moléculaires
cas de l'éoitaxie GaAlAsfGaAs avec les dooants Ge et Be
G'HAPITREII

---

33
A
B
Liquide
Substrat
Solution saturée à l'équilibre (T=Te)
Solution sursaturée si(T < Te)
entre les phases liquide et solide;.1a
l'épaisseur du dépôt est d'autant plus
composition est donnée par la fraction
élevée que le degré de saturation
atomique des solutés
~T = Te - T est élevé.
C
Solution sous saturée si T > Te. TI y a
dissolution du solide.
figure TI-8: Schéma de principe de l'épitaxie en phase
liquide. Te est la température d'équilibre.
Le problème de l'élaboration des structures à hétérojonction est lié à la
différence des paramètre de maille. Pour certains matériaux simple ou composés de
paramètres de mailles semblables, les méthodes de croissance précédemment
décrites peuvent permettre d'épitaxier les différentes couches de la photopile. Dans
la conversion multispectrale, les matériaux les plus attrayants sont ceux qui offrent
la possibilité de faire un ajustage des gaps ou des paramètres de maille ou les deux à
la fois. C'est le cas de certains alliages II-VI et III-V, surtout les quaternaires III-V
qui, grâce aux deux degrés de liberté, permettent de tàire varier à la fois le gap et la
paramètre de maille. La croissance de ces matériaux peut se faire dans chacun des
cas sur leurs substrats II-VI ou III-V. La croissance hétérogène devient complexe
lorsque le désaccord de maille est important. Cela conduit à la création des lacunes,
des dislocations et défauts à l'intertàce. La qualité de l'interface a une innuence
importante sur la performance des photopiles notamment lorsqu'elle se situe aux
voisinages des surfaces sensibles des jonctions où les défauts deviennent des centres
de recombinaison superficielle et
affectent
le
rendement.
Parallèlement aux
CHAPITRE Il

---

34
difficultés d'obtenir de bonnes interfaces, il y a aussi les difficultés de réaliser des
couches epitaxiales de bonnes qualités cristallines. Aussi, tous les matériaux ne
peuvent pas être utilisés d'autant plus que les défauts, les lacunes et les dislocations
deviennent importants avec l' ionicité du semi-conducteur. Cela rend difficile le
dopage, surtout dans le cas des matériaux II-VI.
II-4-2 Contact ohmique {22] [23] [24] [25]
Le contact ohmique est défini comme étant un contact qui ne modifie
pas l'impédance du dispositif qui l'utilise ainsi que la densité des porteurs à
l'équilibre. Les prises de contact sont réalisées en métallisant les faces avant et
arrière. Dans la pratique les méthodes utilisées pour réaliser les contacts ohmiques
consistent à créer une jonction tunnel à l'interface métal-semi-conducteur (M-S).
Cela se fait en surdopant d'abord le semi-conducteur à l'interface par diffusion,
épitaxie ou par implantation ionique et ensuite effectuer le dépôt métallique. L'on
peut également réaliser ces contacts en une seule opération. Ce dernier procédé est
le plus courant et consiste à déposer les constituants du contact sur la surface du
semi-conducteur. Cette couche de métal contient le dopant qui s'infiltre dans le
semi-conducteur par échautTement (recuit) et forme une couche fine N+ ou P+. Dans
ce procédé c'est l'instabilité thermique et la dissociation de la surface qui sont les
principales difficultés de la réalisation des contacts ohmiques des composés III-V.
Des contacts Pd/Ge, Ta/Ge, Ta/Ge et Mo/Ge (Ge est le dopant) ont été réalisés sur
N-GaAs. L'or est couramment utilisé pour réaliser les contacts sur GaAs de type N
ou P. Les éléments accepteurs associés à l'or sont Zn, Be et quelques fois Mg. Le
dépôt de l'alliage Au-Zn ou Au-Be peut se faire par pulvérisation ou par
évaporation. Dans le cas N-GaAs, des contacts Au-Ge/Ni ont été réalisés comme
précédemment. Le recuit se fait pendant un temps court (15s-5mn). Le recuit et
refroidissement rapide permettraient d'obtenir de faibles résistances de contact. Les
procédés de fabrication des contacts ohmiques ne sont pas aussi facile comme cela
peut le paraître dans les exemples traités dans ce paragraphe. Dans le cas des
matériaux II-V l'on obseve la perte de certains éléments très volatiles tels que
l'arsénic et le phosphore. Les réactions entre métal et semi-conducteur à l'interface
conduisent à la formation de certains alliages (mélange de semi-conducteur, métal et
dopant GeNi, AuGeAs par exemple), ce qui a pour conséquence: l'interface obtenue
CHAPITRI! II

---

35
est rugueuse. La morphologie, la structure et la composition du semi-conducteur
sous-jacent sont modifiées. La densité de courant n'est plus uniforme à travers le
contact, ce qui fait que les courants de fuite deviennent très importants à la surface
(conductance shunt trop élevée). Les réactions à l'interface peuvent entrainer une
dégradation rapide du contact (contact non adhésif). Dans les cas des composés
II-VI, en plus des difficultés habituelles (choix du métal pour le contact, la qualité
de la surface du matériau qui peut être plus ou moins abimée à la suite des
traitements du dispositif, ...), il y a aussi l'introduction des éléments dopant qui n'est
pas toujours une opération facile. Jean Luc Filippozi [26] effectue la réalisation d'un
dispositif de dérection infrarouge fait de la juxtaposition d'un matériau II-VI, le
photoconducteur CdTe qui capte le signal et d'un matériau III-V, le GaAs, qui joue
le rôle d'amplificateur du signal. Pour réaliser le contact ohmique sur N-CdTe, il se
sert de l'indium. Le dépôt se fait par évaporation et le traitement thermique se fait
dans la gamme de température de 150°C-200°C pendant 30-60mn. Lorsque le
matériau est de type P(P-CdTe), l'or serait le meilleur métal pour réaliser le contact.
En plus des difficultés de réalisation des contacts ohmiques, ceux-ci doivent avoir
une impédance thermique faible pour évacuer la chaleur produite dans le dispositif.
II-4-3 Traitement antireflet
A l'interface air-semi-conducteur, les pertes par réflexion limitent en
partie le courant photogénéré. Un gain appréciable de photocourant peut être obtenu
en recouvrant les surfaces éclairées d'une ou de deux couches antireflet convenables,
c'est-à-dire, non absorbant dans le visible. La couche antireflet est un diélectrique
que l'on peut réaliser par pulvérisation de ses composants ou par dépôt en phase
vapeur. Le diélectrique dans ce cas est synthétisé à partir de ses constituants dont le
transport se fait sous forme de vapeur. Les propriétés électriques, chimiques et
optiques et de la couche antireflet dépendent des conditions de préparation et du
matériau diélectrique utilisé. Le tableau II [1] donne la liste de quelques matériaux
utilisés pour le traitement antireflet de la surface des cellules photovoltaïques.
CHAPITRE Il

---

36
Tableau Il: Quelques matériaux utilisés pour
le traitement antireflet
Materiau
Indice
T,02
2,35
ZnS
2,1
MgF2
1,35
Si3N4
2,4
N aAlF6
1,3
II-S INTERET DE LA CONVERSION MULTISPECTRALE
Dans la photopile â une jonction la converSlOn de l'ensemble du spectre
solaire est impossible du fait que ce rayonnement n'est pas monochromatique [1]
[19]. Les pertes intrinsèques liées à ce mode de conversion sont très importants. Ce
sont elles qui limitent le rendement thèorique de la photopile à une jonction. La
figure 11-9 représentent les rendements expérimentaux dans le cas des matériaux les
plus utilisés en conversion photovoltaïque [27]. A l'heure actuelle, ces rendements
ont été notablement améliorés grâce aux progrès technologiques et aux modèles
physiques de plus en plus perfectionnés, en particulier pour le silicium et l'arséniure
de gallium. Les cellules au silicium et â arséniure de gallium dispoent maintenant
d'une technologie très sophistiquée et leurs performances sont bien cernées. Dans la
conversion multispectrale les pertes intrinsèques sont très notablement réduites (voir
paragraphe 11-2 chapitre Il). Les calculs que nous avons effectué montrent qu'un
rendement idéal de 65% peut être atteint avec deux cellules de 1,5 ev et 0,7 ev
comparé
à
45% pour une
seule
cellule. En utilisant
un
grand
nombre de
semi-conducteurs, l'on peut s'approcher du mode de conversion monochromatique.
Dans la pratique, l'empilement d'un tel nombre de semi-conducteurs est évidemment
impossible, mais il rend compte des limites théoriques de la conversion directe
photovoltaïque.
CHAPITRE Il

---

37
rendement
de conversion (%)
~
1
z
-- ..
..-'
__- - 3
---........-- ..
..-'-
..,.,- ..
--------
4
./'"
5
,,/'
--
--
, / '
.....
5
----
-
- -
/
-
/
-
~
--
Annees
--- -
1
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
figure ll-9: Evolution du rendement de conversion des
composants photovoltarque.
1- Silicium monocristallin.
2- GaAs en couches minces.
3- Silicium polycristallin.
4- GaAs polycristallin.
5- Silicium amorphe.
CHAPITRE Il

---

38
CONCLUSION
Les systèmes de converSIon multispectrale permettrons d'obtenir des rendements
bien supérieurs à ceux qu'on obtient avec la mise en oevre d'une seule cellule. La
structure monolithique paraît être la plus intéressante d'un point de vue pratique. Le
problème qui se pose est de pouvoir d'une part, trouver pour un spectre donné, la
combinaison adéquate de semi-conducteur, et d'autre part, trouver une technique de
croissance de ceux-ci en configuration monolithique. Ces contraintes limitent le
nombre de cellules à deux ou trois et la gamme de matériaux utilisable.
CHAPITRE Il

---

39
CHAPITRE III MODELISATION D'UNE PHOTOPILE MULTISPECTRALE
INTRODUCTION
III-I APPLICATION DES EQUATIONS DE TRANSPORT A DEUX PHOTOPILES EN
SERIE
III-2 MATERIAUX A UTILISER GaAs, Hg1-xCdxTe : (Justification)
III-3 PROPRIETES DES MATERIAUX UTILISES: (Ordre de grandeur des paramètres
électroniques)
III-)-1
GaAs
III-3-2
Hg1-JeCdJeTe
III-4 DESCRIPTION DETAILLEE DES PARAMETRES DU MODELE
III-S PROCEDE DE SIMULATION
III-S-i
Modélisation du coefficient d'absorption de Hgo,nCdo,53Te
III-S-2
Calcul du courant de génération optique
CONCLUSION

---

40
INTRODUCTION
Dans l'étude des photopiles solaires, une prémière opération consiste à
élaborer un modèle physique et à déterminer les
facteurs
géométriques
et
électroniques
pouvant
influer
sur
les paramètres de la photopile définis au
chapitre 1. Il
est
donc nécessaire
d'étudier les caractéristiques
physiques des
sémi-conducteurs
utilisés
afin
d'apprécier leur
aptitude
pour
la
conversion
photovoltaïque. Dans notre cas, cette étude portera sur les matériaux GaAs et
Hgl_xCdxTe. Une séconde opération consiste à évaluer les performances théoriques
des photopiles. A cet effet, il importe qu'un procédé de calcul fiable soit élaboré,
conduisant à des résultats réalistes. Ces deux opérations
feront l'objet de ce
chapitre.
CHAPITRE III

---

41
111-) APPLICATION DES EQUATIONS DE TRANSPORT A DEUX PHOTOPILES EN
SERIE
Dans ce paragraphe nous allons donner les éMments de base de notre
modèle. Il s'agit des équations du courant obtenues par résolution des équations de
transport à une dimension:
Pour les électrons:
Ôn
d2ôn
G
- - + D
o
(3 -1)
2
r "
" d X
pour les trous:
G -
~p - D d ~f
2
= 0
(3 - 2)
r p
Pd x-
où G est le taux de génération des paires électron-trous. Pour une longueur d'onde
qui frappe la surface de la photopile le taux de génération des paires électron-trous à
une distance x s'écrit:
G(À) = 0.(11.) <D exp(-o.(À)-x)
(3-3)
Il découle du chapitre 1 que la caractéristique courant-tension d'une photopile idéale
s'écrit:
1 = Iee - lobs[exp(qv/kT) -1]
(3-4)
elle correspond à la jonction Shockley idéale (A=I).
Cette caractéristique est obtenue en faisant un certain nombre d'hypothèses [16]:
-la photopile fonctionne dans les conditions de faible injection.
-dans la zone de charge d'espace, il n'existe aucun courant de génération-
recombinaison, et les courants d'électrons et de trous sont constants à travers cette
région.
-aux extrémités de la zone de charge d'espace, les concentrations de porteurs
minoritaires évoluent suivant l'approximation de Boltzmann définie précédemment
au chapitre l (paragraphe 1-5).
-à l'extérieur de la zone de charge d'espace, le champ électrique est nul et la
tension de la photopile se retouve entièrement aux extrémités de cette zone
dépeuplée de porteurs. Nous signalons que les paramètres physiques et géométriques
qui influent sur les caractéristiques de la photopile sont implicitement présents dans
les formules Icc et lobs . A partir des hypothèses de la diode Shockley et des
conditions aux limites précédemment définies (chapitre 1 paragraphe 1-4), la
résolution des équations (3-1) et (3-2) aboutie au courant de génération optique que
peut produire chaque cellule du tandem et aux courants de diode. Pour une longueur
CHAPITRE III

---

42
d'onde, les contributions des différentes régions de la jonction au courant de court
circuit s'écrivent [15] [28]:
pour la région P
S" L"
S" L"
Y jp
.
y jp
r A. L ] (D + aL,,) - exp(-ay jp )( D cosh L + smh )
L
q.,.,a"
t 11
" "
11
1
-,-.,,-----=---'--
-----"----------------:.:...--------"------=-----
" - IL a 2 L 2" - 1
S L
" " .
Y n
Y n
D
smhL+cosh L
"
Il
"
-aL" exp(-ay
)
]
JJI
pour la région N
q~aLp
r
1
=
1
2
exp ( - a (}' ip + w)1 aL
P
a -L
- l
' J '
, - p
JI
SpL p
Y p
.
Yp
( D
(cosh L - exp(-ay),,» + smh L + aL; exp(-aY)Il)
JI
JI
JI
]
S JI L p .
y )11
Y )11
smh - L + c o s h -
L
D p
JI
JI
et pour la zone de déplétion:
Iz =<Dexp(-aY1P)( l-exp( -aw»
(3-7)
Les expressions des contributions au courant de génération optique des régions P, N
et Z dans le cas de la séconde cellule sont identiques aux équations (3-5), (3-6) et
(3-7). L'on remplacera simplement <D par <Do(l-exp(-aH)
qui représente le flux
transmis par la prémière cellule. Le courant de diode s'exprime de la même façon
pour les deux cellules:
Id = Iobs[ exp(qvIkT)-I]
(3 -8)
r S /1 L "
Y )JI
•
Y)P
l
2 1 (--"-~cosh - L + smh - L) 1
D "ni 1
D 11
"
"
1
lOb. = q L Il N Q
S " L Il
.
Y)P
Y )p
L D
8mh L+ cosh L
J
"
"
11
r/S p L p
Y)"
.
y)"
l
2
~
cosh -
+ smh - - ) 1
Dpn i 1
DJI
L p
L p
1
+q
1
.
(3 - 9)
L pN d
S JI L JI
. h Y )/1
h Y )"
1
l
sm
- L + co s - - J
D p
JI
L p
CHAPITRE III

---

43
La caracteristique I-V du tandem pourra s'écrire:
1 = Icc1 - Iobst[exp(qvIkT) -1)
=Icc2 - Iobs2 [exp(qvIkT)-I]
(3-10)
La double égalité traduit la condition d'égal courant, c'est-à-dire l'hypothèse de
photopiles en série. De ces deux équations on déduit la tension aux bornes du
kT
r 1 - 1
1
- 1
l
tandem:
V = VI +V? =-~( ~I
+1)( ~c2
+1)1 (3-11)
-
q
L
obsl
obs2
J
Cette tension correspond à la tension de circuit-ouvert si l'on pose 1=0. Dans cette
condition, l'équation (3-11) donne la valeur maximale de la tension de circuit-ouvert
si Icct=Icc2 sinon c'est la mauvaise cellule qui gouverne l'ensemble. Les calculs des
performances de chaque cellule et du tandem se fait à l'aide des équations
précédendes en tenant compte des facteurs géométriques et électroniques. Ces
calculs seront l'objet du chapitre IV. La figure III-I (a) représente le schéma
équivalent d'un tandem où la jonction tunnel est représentée par une résistance
Rtunnet Afin de simplifier les calculs, nous nous sommes limites au cas idéal où les
résistances séries sont supposées négligeables (figure III-I (a». Les hypothèses qui
aboutissent au cas idéal, A = 1, sont justifiées par les dopages que nous utilisons
Uonction abrupte). Par ailleurs, dans la pratique les dispositifs à jonction P-N
fonctionnent généralement en faible injection. Cela veut dire que dans notre modèle,
les excès de porteurs minoritaires électrons et trous sont faibles par rapport aux
concentrations des porteurs à l'équilibre: ~p<ppo=Na et ~<nnO=Nd. Le modèle avec
A= 1 peut être généralisé, A pouvant prendre alors n'importe quelle valeur. Ce
paramètre rend compte des propriétés de conduction, et donc est beaucoup influencé
par la concentration des impuretés, les défauts introduits par le dopage qui causent
les courants de fuite, de recombinaison et tunnel. De façon générale le courant d'une
photopile s'écrira: I=Icc-Iobs[ exp(qv/AkT)-]
(3-12).
CHAPITRE III

---

44
(a)
~I
v
figure m-l: Schéma équivalent d'un tandem (a) cas réel, Ch) cas idéal.
CHAPITRE III

---

111-2 MATERIAUX A UTILISER GaAs et Hg1_.Cd.Te: (justification)
Les composés GaAs (III-V) et Hg1-xCd'ITe (II-VI) ont été beaucoup utilisés ces
dernières années pour la fabrication des composants optoélectroniques. L'intégration
de ces matériaux aboutit Il des applications de très grand intérêt. Vision, sécurité,
surveillance
et
télécommunication
par
fibre
optique
dans
la
bande de
fréquence 1,3 /lm-l,55 /lm [29] auxquelles il faut ajouter les applications militaires
et industrielles [30]. Les détecteurs Hg1_xCdxTe avec un taux de cadmium allant de
0,6 â 0,7 peuvent être utilisés pour la communication
par
fibre optique dans la
bande 1-1,7 /lm. Vue
les
implications
pratiques
de
la
structure
hétérogène
Hgl-xCdxTe /GaAs, le groupe S 1 P s'est lancé dans des travaux de recherche quant â
la croissance du tellurure de cadmium et de mercure sur l'arséniure de gallium et la
réalisation. L'un des obstacles majeurs, qui constitue un sujet de recherche au sein
du groupe, est la formation des défauts à l'interface Hg1-xCdxTe /GaAs liée au
désaccord de
maille très élévé de 14,6% (31].
La croissance
des
composés
Hgl -xCdxTe pourrait se faire sur un substrat CdTe ayant un bon accord de maille
avec Hgl-xCdxTe. Mais le choix de GaAs repose sur deux raisons essentielles: le
GaAs dispose d'une technologie bien développée et c'est un matériau de très bonne
qualité électonique comparé au tellurure de cadmium.
La struture Hg! -xCdxTe/GaAs peut être utilisée pour la converSIOn directe
photovoltaïque. L' arsènure de gallium qui a un gap proche de l'optimum, s'est
révèlé comme l'un des meilleurs matériaux pour photopile, particulièrement avec
concentration du tlux solaire. Le rendement de la cellule GaAs, calculé de la même
façon qu'au chapitre II, est de 45% ( voir tableau III-I) allors que les meilleurs
rendements expérimentaux obténus à ce jour tournent autour de 26%. Ce rendement
de production d'électricité solaire peut être amélioré notamment par conversion
multispectrale. Dans ce contexte, l'utilisation des deux photopiles complémentaires
GaAs et Hg1-xCdxTe s'avère intéréssante. De plus la fabrication des photopiles fait
intervenir
les
processus
technologiques
dévéloppés
pour
l'électronique.
En
fait,l'application
photovoltalque
est
un
sous
produit
des
applications
de
l'électronique. Grâce aux progrès techniques, l'industrie électronique connait à
l'heure actuelle un essor notable quant à la production de dispositifs de plus en plus
complexes et sophistiqués (composants pour fibre optique, laser multijonction
source de lumière monochromatique, ... ) pour repondre à des besoins spécifiques. La
CHAPlTRE JlI

---

45
tendance actuelle est d'automatiser leur fabrication. Ces dispositifs sont à base
d'homojonction et d'hétérojonction qui sont également utilisées pour les photopiles.
Cela veut dire que la technique dévéloppée pour l'électronique peut être appliquée à
la conversion photovoltaïque pourvu que cela ne coüte pas cher. Par ailleurs, les
problèmes de l'intégration hétérogène des matériaux seront certainement résolus
dans les temps à venir grâce aux progrès de la micro-électronique. La performance
du tandem Hg1-xCdxTe IGaAs dépend de son mode de fonctionnement. Nous pouvons
remarquer sur le tableau
III-i que si les cellules sont indépendantes, le gap de
Hgl_xCdxTe est choisi de telle sorte que son rendement soit le plus grand possible
dans le domaine du spectre qu'il absorbe. Sur les courbes d'isorendement (chapitre
II paragraphe II-3), l'on peut voir que ce rendement est 11=19% correspond au gap
0,7 ev. Par contre, si les cellules sont en série le gap du tellurure de cadmium et de
mercure doit être de 0,6 ev. Dans ce cas son rendement 11=18%. Le tableau III-i
montre que dans le mode de fonctionnement en série le rendement du système a un
poînt de moins que lorsque les cellues sont séparées. Cette perte du rendement est
minime. En revanche, la sîmplicité de la mise en série de cellules empilées est
immense: suppression du système de miroir dichroIque dont la fabrication et
l'installation sont optiquement complexes et qui peut être de durée de vie limitée. La
disposition géométrique des cellules permet de les assembler dans un même boîtier
qui sera beaucoup plus simple, ce qui permet d'avoir un seul générateur avec une
forte tension de sortie.
CHAPImlll

---

46
Tableau III-I : Performances du système Hg1_xCdxTe/GaAs e dans les deux modes de
fonctionnement série et disconnecté:
Cellules en série
Cellules discoonectées
HgCdTe
GaAs
HgCdTe
GaAs
Tanche d'énergie
32.403mw/cml
63,86mw/cmL
32,403 mw/cml
63,86mw/cm2
absorbte
bv < 1,43 ev
1,43 ev
hv < 1,43 ev
1,43 ev
Courant idéal
30mA/cm1
26 mA/cni
30mA/cm1
Tension idéale
2,035 volt
0,7 volt
1,43 volt
Rendement idéal
par cellule
18010
45%
19%
45%
Reodement de
conversion du
système
63%
64%
CHAPITRE III

---

47
111-3 PROPRIETES DES MATERIAUX UTILISES. (ordre de grandeur des paramètres
électroniques)
Dans ce paragraphe nous traitons des propriétés intrinsèques des matériaux
impliqués dans le modèle que nous utilisons. Les paramètres électroniques les plus
importants
qui interviennent dans
l'étude des
photopiles
sont
le
coefficient
d'absorption, la mobilité et surtout la durée de vie des porteurs. Ces deux derniers
paramètres dépendent en grande partie du dopage et de la technologie de la
photopile.
I1I·J·l
GuA.'
Ce matériau est à gap direct. A la température ambiante Eg=1,43 ev, la
concentration intrinsèque des porteurs ni= 1,1 107cm-3. La structure cristalline est du
type blende zinc de paramètre de maille a = 5,654
"
A
[4]. Comme les autres
matériaux à gap direct, la durée de vie est très faible. La mobilité est très élévée ce
qui fait que l'effet de ces deux paramètres sur la longueur de diffusion L=(Dt)l!2 se
compense mutuellement en grande partie. La mobilité est un paramètre qui est
beaucoup influencé par la concentration des impuretés dopants. Elle est d'autant
plus grande que le cristal est pur et que la masse effective des porteurs est faible.
Par contre, la faible durée de vie dans le matériau est due surtout à la recombinaison
radiative qui est le mécanisme inverse de la photogénération des porteurs. Des
recherches ont été menées pour évaluer la mobilité et la longueur de diffusion des
électrons et des trous. Les figures III-2-3-4
représentent les résultats obtenus par
Sze [16 J , Casey et coll [32]. Les mesures des longueurs de diffusion des électrons,
Ln , et des trous, Lp, ont été faites
respectivement sur plusieurs échantillons
P-AIGaAs/P-GaAslN+-GaAs et N-AIGaAslN-GaAs/P+GaAs. Ces échantillons sont
obtenus par épitaxie en phase liquide à partir du matériau dissout. Les dopants
donneurs et accepteurs sont respectivement Ge et Sn. Les concentrations de ces
impuretés sont comprises entre 1016 et 1019 cm-3 . Les mesures sont faites à la
température de 298 K. Elles consistent à irradier les échantillons avec un laser
He-Ne (1,96 ev) et de mesurer le courant de court-circuit induit par ce f1ux. Elles
nécessitent des vitesses de recombinaison S <
104 cmls et S <
105 cmls
respectivement pour les faibbles et forts dopages. Cela est rendu possible par la
CHAPITREIU

---

48
présence de la couche AIGaAs. La détermination de Ln et Lp est faite en tenant
compte de la recombinaison radiative car le flux radiatif peut être réabsorbé et
engendrer ainsi des porteurs. Dans leur étude expérimentale, Casey et Coll ont
délimité le domaine de concentration où une telle absorption peut influencer la
diffusion des porteurs. Comme l'indique les figures III-2-3, le comportement de Ln
et Lp en fonction de la concentration de Ge et Sn est lié au phénomène de
recombinaison : les longueurs de diffusion sont relativement constantes pour des
18
dopages plus ou moins inférieurs à 10
cm-3 . Pour ces dopages, Ln varie de 8 à 7Jlm
alors que Lp est pratiquement égal à 2Jlm. Cela est dU au fait que le phénomène de
recombinaison radiative est moins important. Cette recombinaison affecte la durée
de vie de tàçon significative dès que la concentration excède 1018 cm- 3• Dans le
matériau de type N le phénomène radiatif ne serait pas le seul à diminuer la durée de
vie des porteurs. Il faut inclure l'influence des pièges recombinants et d'autres
mécanismes
de
recombinaison
tel
que
Auger
qm
deviennent
importants.
Parallèlement à ces tàcteurs intrinsèques, un autre paramètre retient l'attention des
chercheurs: la recombinaison superficielle qui affecte sévèrement la performance des
photopiles GaAs. En effet, à l'interface air-GaAs la vitesse de recombinaison est très
élevée, de l'ordre de 106-10 7 cmJs [15][32]. L'effet néfaste de ce phénomène peut
être substantiellement réduit soit en créant un champ électrique dans la cellule par
gradient de dopage [33] soit par un traitement chimique [34]. Dans ce dernier cas la
surface est traitée avec une solution HZS04-HzOz pendant quelques secondes et à la
température ambiante. L'on rince ensuite cette surface avec de l'eau déionisée. Elle
est ensuite traitée pendant 30 seconde dans une solution MRU+MHN03 puis rincée.
Nelson et coll [34] ont mis en évidence la diminution de la vitesse de recombinaison
superficielle par des calculs et mesures de déclin de photoluminescence. Les
échantillons traités sont photoexcités avec un laser Ga1_xAlllAs qui émet une
longueur d'onde À = 7900Â. La réduction de la recombinaison en surface serait due à
l'absorption chimique des ions ruthérium à la surface du matériau. Ils obtiennent des
vitesses de l'ordre de 3,5 104 cm/s. L'on peut également réduire les recombinaisons
en surtàce par croissance d'une couche AIGaAs sur la face éclairée. Cette couche est
transparente aux photons dont l'énergie est proche du gap de GaAs. Elle crée un
champ électrostatique en surface qui renvoie les porteurs minoritaires vers la
jonction, les éloignant ainsi de la zone de forte recombinaison. Cela permet de
CHAPITRE III

---

49
ramener la vitesse de recombinaison à des valeurs plus ou moins faibles de l'ordre de
104 cmJs[15].
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figure 111-4: Mobilités des porteurs dans GaAs en fonction du dopage (16]
CHAPITRE III

---

50
III-3-2
Le tellurure de cadmium et de mercure, noté CMT dans la littérature, a un gap
direct variable qui couvre un intervalle d'énergie allant de la bande interdite du
semi-métal HgTe (x=O; Eg=-0,3 ev) à la bande interdite du semi-conducteur CdTe
(x= 1; Eg= 1,6 ev). Plusieurs auteurs ont établi des équations qui permettent de
calculer le gap du matériau en fonction du taux de cadmium et de la température
{35] [36] {37]. Ces équations montrent une variation essentiellement linéaire du gap
en fonction de x avec une légère correction. L'équation ci-dessous est donnée par
Hansen
et coll
[38]
et
est
applicable
dans
les
intervalles
de
température
42K <T<300K et des concentrations de cadmium 0<x<0,6 et x= 1:
Eg(ev)= 0,302 + 1,93 x + 5,351O-4T(1-2x)- 0,810 x2+ 0,832 x3
(3-13)
La figure 1II-5 représente Eg pour T=300 K et T=O K et l'erreur estimée est de
O,013ev. Tout comme la bande interdite, la concentration intrinsèque des porteurs de
charges varie avec le taux de cadmium. La formule proposée par Schmit [39] pour
les domaines de température et de variation de x: 50 K<t<350 K et 0,16<x<O.7
s'écrit:
ni (cm- 3)=(l,093-0,296 x + 4,42. 1O-4T)4,293 lOI4(Eg)3/4 T 3/2 exp(-EgI2KT)
(3-14)
La concentration intrinsèque est un paramètre important qui intervient dans les
calculs tels que la durée de VIe, le courant de diode, la concentration des
porteurs, ... En ce qm concerne la structure cristalline, Hgl_xCdxTe a la même
structure que GaAs. Celle-ci est composée de deux sous réseaux cubiques pour
toutes les valeurs de x allant de 0 à 1. Ces réseaux sont décalés de a.J3/4 suivant
la direction (Ill), a étant le paramètre de maille. Schwartz et coll ont établi une
relation entre ce facteur (a), la densité (d) et le taux de cadmium (x) qui s'écrit à
293 K [40]:
o
a(x) = [(328.19 - 88.19x )/0. 15056d]1I3
(A)
(3-15)
d(x) = 8.077 - 2.225x
(g/cm3)
(3-16)
Le paramètre de maille et la densité décrivent des courbes essentiellement linéaires.
La variation du paramètre de maille entre les composés HgI-xCdxTe et CdTe est très
CHAPITIŒill

---

51
faible, de l'ordre de 0,02A, ce qui veut dire que le désaccord de maille de 14.6% ne
peut être réduit à l'interface Hg1_xCdxTe/GaAs.
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Hg r.
X
CdTo
Figure III-5: Bande interdite de Hgl_xCdxTe en fonction de la teneur en cadmium
pour les températures T=300K et T=OK [40].
Les calculs de la durée de Vle ont montré qu'entre les phénomènes de
recombinaison Auger, Radiatif et Schockley-Read, l'importance relative d'un
mécanisme par rapport aux autres dépend du gap, de la température, du dopage, et
du type de conductivité. Tandis que la recombinaison Auger est prépondérante dans
les petits gaps, le mécanisme Radiatif est dominant dans les grands gaps [41] [42].
Les durées de vie liées à ces deux mécanismes ont été calculées par Baker et coll
[42] en fonction de la concentration x du cadmium et du dopage pour diverses
températures (figure 111-6). Nous pouvons remarquer sur ces courbes que pour les
valeurs de x> 0,25, c'est le mécanisme de recombinaison radiatif qui définit la durée
de vie. Dans ce domaine de valeurs de x, la durée de vie est pratiquement constant
pour un dopage donné et est d'autant plus faible que le niveau de dopage est élévé.
Les figures 111-7-8-9-10-10 représentent les résultats des mesures de la mobilité
effectuées par Walter Scott [43] et Walter Scott et coll [44]. Pour les matériaux purs
(figure 111-9-10) la mobilité des électrons décroît lorsque la température et le taux de
cadmium croissent. Pour les matériaux dopés la mobilité des électrons et des trous
sont pratiquement indépendante du niveau de dopage au voisinage de la température
CHAPITRE III

---

52
ambiante
(figure
III-7
)Jp= 100cm2/v-s),
(figure
III-Il
Iln=2000cm2/v-s).
La
différence entre les mobilités dans le cas des électrons (figure III-Il où x=0,4 à
0,46) et des trous (figure III-8 où x=O,2-0,6) serait due en grande partie au taux de
cadmium qui varie d'un échantillon à un autre. Les échantillons utilisés pour
mesurer la mobilité des trous ont des dopages allant de 4 1015 cm3 â 1017 cm-3 .
Compte ténu des valeurs des mobilités et des durées de vie des matériaux GaAs et
HgI-xCdxTe, nous pouvons dire que dans le tandem ces cellules doivent avoir des
épaisseurs assez faibles. Celles-ci dépendrons en grande partie des vitesses de
recombinaison superficielle. Pour ces matériaux â gap direct, l'absorption de toute la
lumière se fait sur une épaisseur faible. Il est donc nécessaire que les epaisseurs de
jonction soient faibles, à moins d'une longueur de diffusion de la surface éclairée, de
sorte que la collection des porteurs prime la recombinaison superficielle. Par
conséquent les jonctions doivent être PIN pour profiter de la grande mobilité des
électrons de la région P. Nous résumons sur le tableau III-2 l'ordre de grandeur des
paramètres électroniques des matériaux GaAs et Hg1-xCdxTe.
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Figure III-6: Durée de Vie Radiative et Auger calculées en fonction du taux de
cadmium pour diverses températures (a) T=77K; (b) T=200K; (c) T=300K [42]
CHAPITRE III

---

53
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Figure 1II-7: Mobilite des trous en fonction de la température et pour diverses
concentrations. d'impurétés: 4,2 lOI5cm-3 (1); 6,5 1015cm-3(2); 1,4 l016cm-3 (3); 3,9
1016cm-3 (4); 1,1 1017cm-3 (5). Le taux de cadmium vaut x=O,38 [44).
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Figure III-8: Mobilité des trous en fonction de la température avec les concentrations
d'impurétés: 3,910 16cm-J pour x=O,38; 8,91016cm-J pour x=O,25 (6); 8 1016cm-J pour
x=O,31 (7); 91016cm-3 pour x=O,50 (8); 8 I016cm-3 pour x=O,62 (9). Les courbes en
pointillées sont les mobilités dans HgTe et CdTe [44]
CHAPITRE III

---

54
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Figure 111-9: Mobilité des électrons dans Hgl-xCdxTe en fonction de la température
et pour diverses valeurs de x. La concentration d'impurété vaut 2.10I5cm-3 [43]
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CfT.
Figure 111-10: Mobilité des électrons dans Hgl-xCdxTe en fonction de x à la
température ambiante. La concentration d'impurété vaut 2.lO I5cm-3 [43]
CHAPITRE III

---

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Figure III-Il: Mobilité des électrons en fonction de la température avec des
concentrations d'impurétés de 6.1014cm-3 pour x=O,41; 2.1016cm-3 pour x=O,40 et
17
1,410 cm-3 pour x=O,46 [43].
Tableau III-2: Ordre de grandeur des paramètres géométriques et électroniques
des cellules GaAs et Hg1-xCdxTe.
Cellule solaire GaAs
Cellule solaire HgCdTe
Paramètres
Notation
Région
T=3OOK
Réf
Notation
Région
T=3OOK
Réf
Gap
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1à3
1,43 ev
EgZ
4à6
0,6 ev
4
Vitesses de
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en y=O
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US
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cmls
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en Y- Yl
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Mobilités des
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J..!pl
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Longueurs de
lnl
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I...nz
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2,3J.UD.
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diffusion des
électrons et des
3!
trous
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3
2-0,3!J.IIl
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Durés de vie des
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Quelques
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4
0,1-10
électrons et des
nano-
J.lS
trous
secondes
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3
'Pl
6
0\\7
CHAPITRE III

---

56
1II-4 DESCRIPTION DETAILLEE DES PARAMETRES DU MODELE
Les éléments qui permettent d'évaluer les pnnClpaux param~tres de la
photopile sont entièrement définis par les courants de génération optique, de
diffusion et de recombinaison. Ceux-ci dépendent de la géométrie de la photopile et
des grandeurs électroniques des matériaux mis en jeu. La mobilité et la durée de vie,
et donc la longueur de diffusion, sont liées au dopage dont la variation se repercute
sur ces paramètres. Vu la dépendance de ces trois paramètres au dopage, dans le
calcul seul le dopage sera pris comme variable et son effet représentera l'intluence
de l'ensemble. Pour une surface libre, la vitesse de recombinaison est très élevée
pour GaAs à cause des états de surface et surtout parce que la génération des paires
électron-trous se fait au voisinage de cette surface. Dans les calculs, ce paramètre
sera considéré constant et, dans l'hypothèse d'une surface de bonne où de mauvaise
qualité l'on aura respectivement sn1<104Cm/s et snI>104cm/s. Nous avons pris une
base épaisse pour la cellule GaAs (Y1n=100 !lm) avec une vitesse de recombinaison
infinie sur la face arrière. En fait, dans GaAs les longueurs de diffusion sont faibles.
Si la base est épaisse, la recombinaison supertïcielle n'a pas d'effet. Dans le cas de
Hgl_xCdxTe nous donnons sur le tableau III-2 les mobilités pour les dopages compris
18
entre 2.1015 et 2.10
cm-3 . Pour ces concentrations d'impurétés, les mobilités des
électrons et des trous sont pratiquement constants. Elles sont faibles par rapport aux
mobilités de GaAs. En effet, Hg1-xCdxTe est un matériau très ionique, ce qui le rend
difficile à doper. Par ailleurs, les défauts de structure, notamment les lacunes de
cation, sont très nombreux et donnent au matériau de nombreux défauts natifs et
quelques fois impossibles à éliminer.
En ce qui concerne la recombinaison
supertïcielle, celle-ci serait importante pour une surtàce libre (101_104 cm/s) [45] et
4
pourait atteindre 3.10
cm/s [48]. Mais une surface couverte d'un film ZnS peut
avoir une vitesse de recombinaison superficielle beaucoup plus faible de l'orde de
300-700 cmls [47]. Dans les calculs cette vitesse de recombinaison pourra
éventuellement varier en raison de l'imprécision de la connaissance que nous avons
de la valeur de ce paramètre dans le cas du matériau Hg1-xCdxTe. Tout comme dans
le cas de la cellule GaAs et pour les mêmes raisons, le dopage du matériau sera pris
comme variable. Egallement, les profondeurs de jonction YI p, Y2p et l'épaisseur Y2n de
la couche N- Hg1_xCdxTe seront prises comme variables. Sur le schéma recapitulatif
CHAPITRE III

---

'57
de la figure III-12 nous indiquons les différentes régions où chacun des paramètres
physiques et géométriques influe sur les performances du tandem.
HgCàTe
GaAs
hv - .....--
Spi
Régioos
1
1
I~L.....__3__.......I..___4_ _LJL.....__6
_+~
o
YI
figure III-12: Représentation schématique des différentes parties du
tandem Hgl_xCdxTe/GaAs. Ylpll; Yln13-Y2; Y2p=Y4-Y3; Y2n=Y6-Y5
III-S PROCEDE DE SIMULATION
Le calcul de la performance de la photopile a été fait en utilisant un
programme FORTRAN 77 et le calculateur VAX 111780. Les paramètres physiques
et géométriques injectés dans le programme sont les données du spectre solaire
AM l, les épaisseurs et les dopages des couches P et N ainsi que les longueurs et
coefficients de diffusion liés à ces dopages. Une phase importante de la collecte des
données a porté
sur la détermination du
coetTicient d'absorption du matériau
Hgl-xCdxTe. En effet, nous avons constaté que la littérature traite le tellurure de
cadmium et de mercure dans des cas particuliers et notamment dans le domaine de
petits gaps où le sémi-conducteur est utilisé pour des applications spécifiques. Nous
avons donc calculé le coefficient d'absorption par interpolation en utilisant les
courbes d'absorption de la figure III-14 [49). En ce qui concerne GaAs, les valeurs
utilisées sont celles du tableau 1II-3.
CHAPITRE III

---

58
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Figure III-13: Coefficient d'absorption de Hgl-xCdxTe pour diverses valeurs du taux
de cadmium (48].
111-5-1
Modélisation du coefficient d'absorption de Hgo..nCdo.5JTe
La méthode d'interpolation que nous utilisons est basée sur le tàit que les
courbes d'absorption de la figure 111-13 présentent des formes d'évolution analogues
et en plus elles sont pratiquement superposables. Mais les courbes de cette tigure
ont été tracées dans les domaines de faibles énergies et s'avèrent incomplètes pour
l'intégration du courant de génération optique. Pour calculer ce courant il suffit
d'avoir un courbe complète d'absorption du matériau Hg1_xCdxTe dans un cas
particulier, x=0,3 par exemple, et de l'étendre au cas x=0,53. Nous avons pu tàire ce
travail grâce aux travaux de Schacham et Finkman [41] [50]: dans l'étude du
mécanisme de recombinaison radiatif dans Hgl-xCd,.Te, ils ont effectué le calcul
théorique du coefficient d'absorption pour déterminer le taux de recombiaison
radiatif. Ce calcul se tàit en deux parties liées chacune à l'énergie des photons. Pour
déterminer la queue d'absorption (E<Eg), ils expriment a(E) suivant une fonction
exponentielle de E.
<t(E) = <toexp{cr(E-Eo)/Q]
(3-17) .
oli
(lo = exp(53. 61xo-18.88)
(3 -18)
Q=T+81.9
(3-19)
0" = 3.267 104(1 +xO)
(3-20)
CHAPITRE 111

---

59
Eo = 0.148Xo4 + 1.838xo - 0.3424
(3-21)
Au délà du gap (E>Eg), le coefficient d'absorption est donné par la formule:
aCE) = P(E_Eg)1/2
(3-22)
~ est un paramètre qu'ils calculent à partir des mesures expérimentales. pest
déterminé au point de jonction des deux parties de la courbe d'absorption données
par les équations (3-17) (3-22). Schacham et Finkmann ont trouvé qu'un parfait
accord entre les mesures expérimentales et le calcul théorique s'obtient avec
a=800cm- 1 au point de liaison, ce qui leur permet d'écrire:
p = 2.109 104[(1+xO)/(T+81.9)] (cm-1ev1l2)
(3-23)
Ces formules leur permettent d'obtenir aCE) pour les faibles teneurs en cadmium,
xo=0.2 et xo=0.3, qui sont beaucoup utilisées en détection infra rouge. Pour faire les
calculs de Hgo.47Cdo.53Te, nous avons utilisé le coefficient d'absorption pour xo=0,3,
aO.3(E), et la formule d'interpolation.
<Xx(E) = <xo,3(E)[E-Eg(x) + Eg(0,3)]
En fait, cette formule permet de faire une translation de la courbe <Xo.3(E) vers le
domaine d'absorption de Hgo.47 Cdo 53Te. L'équation peut être utilisée pour toute
autre valeur de x=0,3. Nous avons programmé le calcul de ax(E) suivant le schéma
de la figure III-14 qui fait parti du programme principal de simulation où x=O,53.
III-5-2
Calcul du courant de génération optique
Pour calculer le courant de génération optique du tandem, nous commençons
par ceux des cellules prises individuellement. Le courant Icc est obtenu pour une
cellule, suivant l'intégration numérique des équations (3-5), (3-6), (3-7). Cette
méthode de calcul s'avère nécessaire du fait que le spectre solaire au niveau du sol
n'est pas continue et présente des bandes spectrales pour lesquelles le flux de
photons est pratiquement nul. Cela veut dire que les équations (3-3); (3-5); (3-6); et
(3-7) doivent être écrites pour des petits intervalles d'énergie autour d'une longueur
d'onde:
.1 c
G (Â.) L a ( Â. ) q1 ( ..1. ) exp (- a ( ..1. ) x ) L\\ ..1.
(3-24)
Â.
CHAPITRE 11I

---

60
Ac
q;aL
[
I p = 2:[ 22 P exp(-a(y. +w» al
+
A a
L p -1
iP
P
S
D
y.
y.
(
P
P (cosh ~ - exp ( - ay jn » + sinh --l!!.- + aL p exp ( - ay jn )
D p
Lp
L p
J] .1}.
S pD P sinh y jn + cosh y in
D p
L p
L p
(3 - 26 )
(3 - 27 )
Le calcul des courants de saturation lobs1 et Iobs2 se tàit à partir de l'équation (3-9)
en
injectant dans le programme les données du dopage (longueur et coefficients de
diffusion, concentrations intrinsèques et concentrations des impuretés donneurs et
accepteurs à l'équilibre) et de l'épaisseur des couches sensibles. A partir de
l'équation (3-4) qui peut s'écrire sous la forme V=kT/qln[ (Icc-1)/Iobs + l], le
programme fait varier le courant 1 dans la fourchette de valeurs (O;35mA/cm2] par
petit saut de O,25mA/cm2. Ainsi, lorsque 1 décrit la caractérisique 1-V de la cellule,
le programme calcul la tension, la puissance et le rendement en tout point (1- V). Ce
calcul s'arrête dès que I>Icc et permet de déterminer Vco, et le point de
fonctionnement de la cellule. En ce qui concerne le tandem, nous rappelons que le
système est tès sensible à l'égalité des courants Iccl et Icc2. Pour ténir compte de
cela, nous avons déterminer les performances du tandem comme celles d'une seule
cellule en utilisant l'expression analytique (3-11). Le calcul s'arrête dans ce cas
lorsque l'argument du logarithme népérien est négatif ou nul. Ceci correspond à la
condition I>Icc1 ou I>Icc2 ou encors à la condition V1<O ou V2<O, c'est-à-dire là ou
une au moins des cellules est nettement polarisée en inverse. Dans ce cas l'une des
photopiles travaille en récepteur, pire l'on a dépassé sa tension de claquage. Nous
GHAPITREID

---

61
sommes
dans
ces
conditions
complètement
éloignés de
notre
préoccupation
principale, qui est la conversion de l'énergie solaire en électricité, puisque l'une au
moins des photopiles consomme de l'énergie au lieu de la produire. Cette méthode de
calcul nous permet d'obtenir le courant de court-circuit réel du tandem, son
rendement maximum et sa tension de circuit ouvert. Il y'a lieu de signaler que dans
la simulation nous avons négligé le recouvrement des courbes d'absorption des deux
cellules GaAs et HgI-xCdxTe. Dans un tandem monolithique le recouvrement se
produit dans la partie du spectre où les deux matériaux absorbent peu de lumière du
fait des faibles valeurs de leurs coefficients d'absorption. A partir de la figure III-15
qui représente shématiqement les coefficients d'absorption de deux matériaux EgI et
Eg2 , le phénomène de recouvrement peut être formulé mathématiquement comme
suit: la fraction de lumière absorbéepar la cellule Egl dans la région hachurée sur la
figure 1II-15 s'écrit:
E 1
titP2 =
JtPo(E)e-alHldE
(3 - 28)
o
Dans cette même région le flux absorbé par la cellule E g2 est
E 1
J1l/J3 -
fl/Jo(E)(l- a1H1
e-
)e-azHzdE
(3 - 29)
o
(Dans ces équations la réflexion est supposée nulle)
Dans le cas où les deux cellules ont des gaps directs, leurs coefficients d'absorption
sont caractérisés par une croissance
quasi-verticale dès que l'énergie des photons
est
proche
des
gaps.
Cela
signifie
que dans le cas du tandem monolithique
GaAs/ HgI_xCdxTe, les photons d'énergie inférieure au gap de GaAs sont entièrement
transmis à la cellule Hgl_xCdxTe. D'une manière générale, l'énergie transmise par un
matériau
sémi-conducteur est exprimée
par
l'équation
(1-1)
du
chapitre
1.
Nous avons
transformé
cette expreSSIOn
pour
la
structure
GaAs/RgI_xCdxTe.
Cette transformation doit nous permettre de traduire correctement la propriété
de
transparence
des matériaux,
notamment
dans
le
cas
de
la
structure
GaAs/ HgI-.1;CdxTe où les courbes d'absorption (figure III-16) nous permettent de
distinguer nettement le domaine d'absorption de chaque cellule. Nous pouvons dire
que l'absorption dans Hgl_xCdxTe commence
là où s'arrête celle de GaAs, ce qui
CHAPITRE 111

---

62
veut dire que dans la formule (1-1), a(E)=O si E<Egl =1.43ev, et que le flux transmis
s'écrit:
E
1
dr/J4 =
Jr/Jl(E)dE
<. 3 - 3 0 )
o
c'est ce tlux est absorbé dans HgCdTe suivant la tonne:
E 1
~t/J5 = JrPl(E)e-a(E)H(E)dE
(3 - 31)
o
avec <1>1 = <l>o(E)(1-R(E))
Tableau 1II-3: Coefficient d'absorption de GaAs en fonction de l'énergie des photons
E(ev)
a. (cm-1)
E(ev)
a. (cm-1)
E(ev)
a. (cm-1)
4
385693
3,125
212796
2,250
59387
3,975
385647
3,100
207133
2,225
57799
3,950
375384
3,075
207108
,2,200
57792
1 3,925
375474
3,050
190907
2,175
54741
i3,900
375429
3,025
185804
2,150
51848
13,875
1365525
3,000
180827
2,125
50459
1
1
3,850
365416
12,.975
175994
2,100
45258
1
3,825
360651
12.950
171290
2,075
144045
1
1 •
,,.,
1
1
i 3,800
1 166701
12,050
142863
1 35584;
\\_,925
13,775
35577
2,900
162236
12,025
141717
13,750
346309
2,875
157906
2,000
138447
\\3,725
337113
2,850
153675
1,975
35433
1
3,700
337073
2,825
149554
1,950
32657
13,675
328142
2,800
147369
1,925
30925
3,650
328103
2,7ï5
141666
1,900
29291
3,625
319428
2,750
137879
1,875
27741
3,600
319390
2,725
134186
1,850
26996
3,575
310928
2,700
123682
1,825
26272
3,550
310872
3,675
123675
1,800
24214
3,525
302671
2,650
120376
1,775
22315
3,500
302653
2,625
114507
1,750
20566
3,475
302617
2,600
107969
1,725
18954
3,450
294652
2,575
105082
1,700
17950
3,425
294382
2,550
100892
1,675
16543
3,400
286759
2,525
96856
1,650
15245
3,375
279128
2,500
89269
1,625
14836
1
3,350
271635
2,475
88078
Il
14051
'600
3,325
264391
2,450
82285
1,575
13308
3,300
264374
2,425
82280
1,550
12264
3,275
257324
2,400
77931
1,525
11614
3,250
250446
2,375
73808
1,500
9339
3,225
237180
2,350
69902
1,475
8150
3,200
230854
2,325
66204
1,450
7716
3,175
224671
2,300
64430
1,425
347
3,150
218665
2,275
62704
1
CHAPITRE III

---

63
Lecture de Xo. x et T
l
figure m-14 :
Organigramme
<10= exp[53,61 Xo-18,88]
pour le calcul du
l
coefficient
d'absorption de
Q=T+81,9
Hgl_xCd"Te
l
13 = 2,109 109[(1+Xoyt'l
l
cr = 3,267(1 +Xo)
l
Eg= g(X,)
1
1
Eg=f\\X)
1
~F.ueJ~l'N
E = AR·]
oui
E>Eg
non
<Xxo =C1.oe<1(E-Eo)/W
xo = ~ (E-Eg)lJ2
1
l
a x=a xo (E-Eg(X) + Eg(Xo))
1
Imprimer
1
1
1
CHAPITRE III

---

64
(a)
E (ev)
41'
~O
,. + ++ + + ++
~.
t ....
~
(b)
I~
,....
"
Figure
III-15:
(a)
représentation
schématique
des
courbes
d'absorption
des
matériaux
(Eg!, Egz) du tandem Cb) où cDo est le t1ux de photons de la tranche
spectrale hv<Egl.
CHAPITRE III

---

65
ci (cnÙ
I06~----------------
105
101
IO°+-_ _--L-_ _--L.
.L--_ _-L..._ _--l
E (ey)
a
2
3
4
5
Figure 111-16: Coefficients d'absorption des matériaux Hgo.47Cdo.53Te (1) et
GaAs (2)
CHAPITRE III

---

66
CONCLUSION
Les calculs pour deux cellules montees en serie diffèrent de ceux d'une seule
cellule: la condition d'égal courant étant véritïée, si le calcul de la tension Vco et du
courant lcc peuvent se faire à partir de chaque cellule prise séparément, le rendement
maximum par contre ne peut être obtenu qu'en considérant la caractéristique l- V du
tandem. Pour le calcul du rendement nous avons inventorié les paramètres physiques
et géométriques qui influent sur la performance de la photopile et donné l'ordre de
grandeur de ceux-ci dans le cas de l'hétérostructure GaAs/lIgl_xCdxTe. Nous avons
remarqué que les paramètres de CMT dépendent de sa téneur en cadmium ce qui
permet d'ajuster son gap pour une utilisation avec GaAs. L'étude de la performance
du tandem est entièrement basée sur l'influence de l'ensemble de ces paramètres. Il
est donc nécessaire d'optimiser ceux-ci, ce qui doit être fait suivant une méthode qui
nous permet d'apprécier l'apport de chaque cellule au rendement de l'ensemble. La
combinaison CMT-GaAs est utilisée pour des applications diverse, notamment pour
des applications militaires, industrielles et télécommunication par tïbre optique.
Mais elle peut être également utilisée pour fabriquer des photopiles dans le cadre de '
la production de hauts rendements de conversion photovoltalque et les résultats des
calculs d'optimisation doivent justifier cela. Cela est renforcé par le fait que
l'empilation de plusieurs matériaux pour produire de l'électricité solaire est la
meilleure approche pour augmenter le rendement en comparaison des autres
approches, en particulier les cellules interdigitées.
CHAPITRE III

---

67
CHAPITRE IV: RESULTATS
INTRODUCTION
IV-l
PROCEDE D'OPTIMISATION
IV-2
OPTIMISATION DE LA PHOTOPILE
IV-2-1
Influence des recombinaisons superficielles
IV-1-2
Recombinaison sur laface avant de la cellule GaAs: Sn}
IV-1-2
Recombinaison sur Iesfaces avant et arrière de le cellule Hgl-xCdxTe S'l2, Sp2
IV-2-2
Influence des profondeurs de jonction
IV-2-2-1
Cas de la cellule GaAs
IV-2-2-2
Cas de la cellule HgCdTe
IV-3
SENSmIUTE AUX VARIATONS DES PARAMETRES
IV-3-1
Sensibilité au.J: profondeurs de jonction
IV-3-2
Sensibilité aux recombinaisons superficielles
IV-3-3
sensibilité aux dopages
IV--4
ETIJDE DU GAIN PAR RAPPORT A GaAs
CONCLUSION
BmLIOGRAPHIE

---

68
INTRODUCTION
L'étude des performances théoriques dime photopile est très importante. Elle nous
montre les limites à atteindre dans la pratique et les diftèrents domaines de variation des
paramètres physiques et géométriques qui nous guide dans la réalisation du dispositif. Dans ce
chapitre nous effectuerons un calcul préalabre à l'étude des caractéristiques du tandem et qui
consiste à déterminer le rendement maximum du système. Nous allons d'abord décrire la
démarche suivie pour aboutir à ce résultat. Ensuite nous étudierons l'influence de chaque
paramètre physique et géométrique ~ur les performances de la photopile, et la sensibilité de Icc,
Vco, 11% aux variations de ces paramètres. Nous évaluerons le gain par rapport à GaAs dans
les conditions optimales mais réalistes définies par la géométrie du tandem et les grandeurs
électroniques des matériaux GaAs et Hgl-xC<!xTe. Par ailleurs, nous allons étudié la sensibilité
de ce gain aux paramètres physiques et géométriques au cas où l'on serait pas capable de
réaliser sa valeur optimale au niveau de la fabrication. Cette étude s'avère très importante parce
que la fabrication des photopiles n'est pas une tâche aisée. Elle nécessite une très bonne
maîtrise de la technique des matériaux (préparation des smfaces, dopage, réalisation des
couches actives et prises de contact,...) qui peut être à l'origine de la défaillance des photopiles.
En effet, les paramètres vitesse de recombinaison superficielle, concentration des impuretés
dopant, épaisseurs des couches sensibles..., conduisant aux conditions optimales, dépendent
directement de la technologie des photopiles.
CHAPITREN

---

69
IV-l
PROCEDE D'OPTIMISATION
Compte tenu du couplage électrique des deux cellules montées en cascade, le rendement
de la photopilè au point de fonctionnement (lm,Vm,) se calcule à partitr de l'équation (3-11) (
paragraphe ill-l chapitre III). Cette équation montre que le rendement de la photopile, à
chaque point de la caractéristique (I V), est égal à la somme des rendements foumis par chaque
cellule. Cela ne veut évidamment pas dire que le rendement optimal est la somme des
rendements optimaux, comme cela était le cas pour les photopiles idéales que nous avons
abordé au chapitre II. En effet, dans le cas des photopiles réelles en tandem, les points de
fonctionnement sont différents pour chac\\llle des photopiles. Ceci provient du fait que
l'équation (3-11) tient compte des pertes en faisant intervenir les quantités IeeI, L:c2, lobsI, lobs2
qui renferment tous les paramètres physiques et géométriques influant sur les perfonnances du
tandem. Nous rappelons qu'il s'agit des paramètres vitesses de recombinaison superficielle,
épaisseurs et dopages des différentes couches superficielles P et N. La démarche que nous
avons suivie pour l'optimisation de la photopile se scinde en deux opérations.
- la modélisation du coefficient d'absorption de HgCdTe nous a montré que les deux
composants du tandem ont des domaines d'absorption bien distincts. Ceci veut dire que la
photopile GaAs est toialement transparente au rayonnement absorbé par la photopile HgI-
xCdxTe. Elle ne sera donc pas influencée par l'épaisseur de la première photopile du tandem.
Par conséquent l'intégration du spectre pour les deux cellules peut se faire séparement. Nous
avons donc effectué une première opération qui consiste à calculer les courants de court circuit
et de saturation des deux cellules. En ce qui concerne GaAs, les paramètres de calcul des
courants L:cI et lobsI sont les concentrations des impurétés donneurs et accepteurs Na! et NdI , la
vitesse de recombinaison sur la face avant SnI et la profopndeur de jonction Ylp Nous faisons
varier NaI et NdI entre 1016 et 1019 cm-3 avec des profondeurs de jonction allant de 0,01 fl1D à
100 ~!m. La vitesse de recombinaison SnI est inférieure ou supérieure à 104cm/s suivant que la
surface libre est de bonne ou de mauvaise qualité. C'est ainsi que nous faisons toutes les
combinaisons de ces quatre parmètres et dressons un tableau de valeurs du couple CIœ1, lobs1)
correspondant au quadruplet (Na!, Nd}, YIp, SnI) YIn et SpI sont constant. Dans le cas de la
cellule HgI-xCdxTe nous effectuons la même opération et nous dressons également le tableau de
valeurs CL:c2, 10002) en faisant toutes les combinaisons des six paramètres Na2, Nd2, Y2p, Y2n, S2n,
S2p. Na2 et Nd2 peuvent varier entre 2.1015 et 2.1018 cm-3 avec des valeurs de Y2p et Y2n allant de
0,01 à 100 JlIIl et des vitesses de recombinaison superficielle avant et arrière variant de 101 à
101cm/s.
CHAPITRE IV

---

70
- le calcul du tandem se fait à partir des donnêes des tableaux CLxI, Iobsl) et (L:cl, 1obs2)
en faisant toutes les combinaisons de ces deux couples dans léquation (3-11). Cela permet de
détenniner le rendement maximmn du système et les paramètres caractéristiques de chaque
composant du tandem à ce point. Les organigrammes des calculs conduisant au rendement
maximum du système sont représentés par les figures IV-1 et IV-2 pour les cellules GaAs et
Hgl-xCdxTe et par la figure IV-3 pour le tandem. Le procédé d'optimisation que nous venons de
présenter est assez simple. En tàit nous avons découpé le programme d'optimisation en
plusieurs parties: modélisation du coefficient d'absorption de Hgl_xCdxTe, calcul des courants
I-...c et lobs pour les deu.x cellules et calcul du rendement maximmn du tandem. Ces calculs sont
faits en injectant dans le programme les paramètres électroniques collectes dans la littérature
pour les matériaux. Les erreurs sur les performances des cellules GaAs et Hgl_;otCdxTe, et par
voie de conséquence sur celle du tandem, proviendraient des imprécisions sur les valeurs des
mobilités, des durées de vie, des techniques de croissance et des traitements des matériaux. Sur
les tableaux IV-l et IV-2 nous reportons respectivement les paramètres optimaux et les
performances du tandem et de ses composants GaAs et Hg1_xCdxTe. Au point de
fonctionnement du système nous obtenons un rendement maximum de 3()oJO.
CHAPITREN

---

11
figure IV-1 : Organigramme du
calcul des courants de court
Lecture des dOImées spectrales et
circuit et de saturation oÙ
coefficients d'absorption
REND 1 est le programme qui
calcul le rendement des cellules
GaAs et &1.-.:Cd.rTe
Intégration du spectre pour le calcul des
courants de comt circuit et de saturation
Variation du dopage (Na) de
la couche P avec les
paramètres électroniques Ln,
Dn QUÎ lui sont associés
Variation du dopage (Nd) de
la couche P avec les
paramétres électroniques Lp,
Do qui lui sont associés
Variation des vitesses de
recombinaison superficielle
face avant et arrière Sn. et Su
Variation de l'épaisseur des
couches actives :Yin. et Yin
calcul des courants de court
circuit et cie !'latnmtion
CALLRENDI
CHAPITRE IV

---

72
ture des courants de court
circuit et de saturation
Calcul de la tension de circuit ouvert
et du rendement maximum RMAX
du composant
RMAX=O
OUI
Calcul des tensions
Faire IT = 1 àM
>------tlVco et V
1 =0,25 E-3 • FüAT (IT-l)
NOD
Calcul du rendement
R (1 , V) au point (1,V)
Non
I t -_ _--lhnprimer lm, Vm
Vco et RMAX
OUI
RMAX = R(1 , V)
figure IV-2: Organigramme du calcul des rendements
des composants GaAs et HgI-xCclxTe du Tandem
CHAPITRE N
.

---

73
ture des courants de court
circuit et de saturation de chaque
compsant : (Lx: , L,~
Calcul de la tension de circuit ouvert
et du rendement maximum RMAX
du Tandem ~1_xC~TelGaAs
RMAX=O
Faire IT = 1 AM
1 =0,25 E-3 • FOAT (IT-l)
OUI
OUI
>--_-.lCalcul des tensions
VOJ et V du tandem
Non
Non
Calcul du rendement
(I , V) au point (1,V)
Non
Imprimer lm, Vm
VooetRMAX
OUI
RMAX = R(I , V)
figure IV-3: Organigramme du calcul des rendements et
tensions du Tandem HgI_xCdxTeiGaAs
CHAPITREN

---

74
Tableau IV-1: paramètres de calcul des cellules
Matériau GaAs
Matériau H~I.xCdxTe
N'lI = 1018 cm-J
Nû = 2.1018 cm-J
17
-3
Nd2 = 2.1015 cm-3
Ndl = 5.10
cm
LnI = 6 JlIIl
Ln2 = 2,3 JlIIl
LpI = 2 JlIIl
LnI = 55 J.IIIl
I 1
f.lnI = 3000 cm2v-1s-1
J.In2 = 2000 cm2V· S-
2
Jl?I = 200 cm2v-l s-1
Jl?2 = 100 cm v-l s-I
SnI sI cmJs
Sn2 = 101 cmJs
SpI = lX)
Sp2 = 101 cmJs
Ylp = 1 J.IIIl
Y2p = 0,1 J.IIIl
YIn = 100 JlIIl
YI2n= 10 J.IIIl
Tableau IV-2:Résultats du calcul du tandem et ses composants
Cellule
Cellule
Tandem
GaAs
HgI_xCdxTe
Courant de
1
court circuit et de
Iœ (Alcm2
1
)
1
0,0293
0,0292
1
1
1
saturation
i
1
i
0,0292
lobs
2
(Alcm )
1 42
,
10-18
1,36 1O-{i
Tension de circuit
0,939
0,249
1,188
ouvert en volt
Performances au point
de fonctionnement
lm (Alcm1
0,028
(lm , VrrJ du Tandem
1,031
Vm (volt)
0,861
0,170
25%
5%
3()OJO
'11%
FF
0,88
0,65
0,83
GHAPITREN

---

75
Une analyse du tableau N-2 nous permet de faire les remarques suivantes:
-les courants de court circuit des cellules GaAs et HgI_xCdxTe sont identiques. Cela veut
dire que le système est bien équilibré (Ieel = I.:e2 = 29 mA/cm2).
- au point de fonctionnement le courant est très proche du courant de court circuit alors
que la tension est beaucoup éloignée de la tension de court ouvert, ce qui fait que le facteur de
fonne est inférieur à l'unité. Cette remarque est aussi valable pour le tandem que pour ces
composants. Une tois le rendement maximum obtenu, nous étudierons le comportement du
système en fonction de chacun des paramètres géométriques et électroniques. Cela aboutit à un
ensemble de courbes qui décrivent le courant de court circuit, la tension de circuit ouvert et le
rendement de sorte que pour ces quantités l'on puisse définir le domaine convenable de
variation des paramètres physiques et géométriques de la photopile.
IV-2
OPTIMISATIaN DE LA PHOTOPILE
N-2-1 Influence des recombi,Ulisom superficielles
La recombinaison en surface est un facteur qui limite en grande partie la perfonnance
des photopiles. C'est particulièrement le cas des matériau..'{ à gap direct où la génération des
paires electron-trous se fait essentiellement au voisinage de la surface éclairée. Dans le cas de
la cellule Hgl_xCdxTe, cela est d'autant plus vrai que l'importance du nombre d'états d'interface,
dûs à la présence des détàuts causés par le désaccord de maille, favorise les recombinaisons à
l'interface. Certaines solutions peuvent être aportées pour diminuer les recombinaisons. En
particulier,
l'on
peut
ajouter
des
couches
tampons.
Par
exemple
la
structure
GaAs/CdTelHgCdTe permet de concenter les défauts sur l'interface GaAs/CdTe où le
désaccord de maille est important, alors que l'absorption du rayonnement infrarouge se fait à
l'interface CdTeJHgCdTe où l'accord de maille est parfait. En fait l'utilisation de couches
tampons est une astuce technologique. Elle pennet de s'affranchire graduellement des défauts
d'interface en intercallant entre GaAs et HgCdTe d'autres matériaux de paramètres de maille
peu différents les uns des autres. La figure IV-4 [51] montre l'évolution du paramètre de maille
entre ces deux matériaux. D'autres structures tels que GaAs/ZnTe/CdTelHgCdTe permettent
même d'élaborer des structures sans changement d'orientation. Nous avons étudié l'influence
des pertes superficielles en calculant le rendement maximum en fonction des dopages et pour
des vitesses de recombinaison superficielle allant de 101 à 107cm/s.
CHAPITREN

---

76
2,5
GaP
~.~})'/.
.."/
2
-1::94
dTe
1,5
-E93
Sie.
Eg;a
..
E~,
GaSb
-G't
0,5
0
S.S
6.0
LatticQ pafame.ter'
lÂ)
---
Substrats
GaAs
InP
GaSb
InSb
figure IV-4: Variation du paramètre de maille en fonction.du gap. L'on utilise ici plusieurs
substrats III-V. Les paramètres de maille sont donnés dans le cas de divers matériaux ill-V et
II-VI.
N -2-1-1 Recombinai,on sur IRlace avant de IR cellule GaAs: Snl
Pour cette cellule nous avons constaté que si Snl~104cm/s nous pouvons obtenir un
rendement de 30%. Dans ce cas les concentrations optimales d'impuretés sont N aI = IOI8cm-3 et
3
NdI = 5.1017cm- (courbe 1 figure N-5), et la profondeur de jonction de la cellule est YIp= 1 J.UD..
Lorsque SnI> 104cm/s le rendement maximum que nous pouvant obtenir devient plus faible et
7
peut descendre jusque 26,5% pour SnI =10 cm/s (cDurbe 1 figure IV-6). Pour ces valeurs de SnI,
NaI est de l'ordre de 1019cm-3 avec NdI = 5.1016 - 5.1017 cm-3 et une profondeur de jonction YIp
beaucoup plus faible (0,01~ YIp~
0,2 J..Im). Pour ITÙeux apprécier l'influence de la
rec.ombinaison superficielle dans la cellule GaAs, nous avons tracé la courbe du rendement
maximum en fonction de ce paramètre. Nous pouvons remarquer sur la figure IV-7 que pour
CHAPITRE IV

---

77
Snl~
4
104cm/S le rendement est constant et qu'il se dégrade nettement quand SnI> 10 cm/s.
Pour interprèter le comportement du rendement, dans les deux cas définis par la vitesse de
recombianison Sn!, nous avons été amenés à étudier le courant de court circuit et la tension de
circuit ouvert en fonction de la profondeur de jonction y! p et pour divers dopages et vitesses de
recombinaison. Ainsi, en examinant les courbes des figures IV-8, N-9, N-1O nous pouvons
noter que la diminution du rendement est liée surtout à la dégradation du courant de court
circuit lorsque la vitesse de recombinaison en surtàce devient importante (Sn! > 104 cm/s). Par
exemple, à Y!p = 1 JlIllle courant peut passer de 29 mAlcm2 pour Sn!~104cmls (courbe 1 figure
IV-8) à 8,3 mAJcm2 lorsque Sn! atteind 107Cm/S (courbe IV-8) avec les tensions respectives
Vco = 1,19 volt et Vco = 1,11 volt. L'amélioration du rendement dans ce cas où Sn!> 104cmls,
résulte d'une part d'un fort dopage de la couche P pour augmenter la tension de circuit ouvert,
d'autre part d'une diminution de la profondeur de jonction pour minimiser l'impact de la
recombinaison en volume sur le courant de court circuit et la tension de circuit ouvert. La
tension augmente avec le dopage sans atteindre la saturation. Cette tension peut atteindre 1)2
volt pour Sn! = ln' cm/s (courbe 1 figure IV-11), 1,17 volt pour Sn! = l06cm1s (courbe 1 figure
IV-12).et 1.15 volt pour Sn!=107cm/s (courbe 1 figure IV-13). Par contre nous avons observé
une dégradation lente du courant avec le dopage. Dans le cas où Sn!~104cm1s, le courant ne
varie pas si les dopages sont 5.1O!6cm-3~ (Na!, Ndl)~2.1013cm-3 (figure IV-14). La tension de
circuit ouvert est saturée au voisinage de 2.1018cm-3 (figure IV-15). Pour des concentrations
plus élevées, la tension et le courant se dégradent, ce qui est dû à la diminution de la longueur
de diffusion des porteurs. Les valeurs de Sn! introduites dans les calculs nous permettent de
faire, une analyse des résultats théoriques en fonction des valeurs expérimentales. En fait, nous
traitons ici un cas classique des photopiles GaAs dont les améliomtions techniques sont
connues. Dans le cas d'une jonction sans fenêtre, les vitesses expérimentales sont faibles et
comparables au cas d'une jonction avec fenêtre où les états d'interface à l'hétérojonction
AlGaAs-GaAs présente \\IDe faible densité: Sn! = 104cm/S. Dans les stuctures traditionnelles
telles que les structures à champ d'entraînement, le rendement ne dépend que de l'intensité du
champ électrique dans les couches sensibles. L'existence d'un champ électrique dans la couche
supérieure présente un double avantage: prémièrement la recombinaison superficielle est
réduite. Par exemple, si le champ provient d'un gradient de bande interdite, James 152] a
montré, dans le cas d'une jonction NIP, que la perte des porteurs en surface peut être reduit de
97%. Deuxièmement l'on peut éviter les difficultés technologiques des couches minces. Par
exemple dans l'homojonction P-N, pour diminuer les résistances séries, l'on peut augmenter
l'épaisseur de la couche superficielle où le champ électrique est crée par un gradient de dopage.
CHAPITRE IV

---

78
Nous avons évalué les caractéristiques du tandem à partir d'un modèle simplifié. Pour les
valeurs expérimentales de la vitesse de recombinaison en surface (Sni < 104 cm/a), les
perfonnances théoriques du tandem sont intéréssantes: les courbes que nous avons tracées
montrent que les paramètres caractéristiques de la cellule GaAs dépendrons uniquement des
dopages Nat, Ndl et de la profondeur de jonction Ylp. N al et Ndl peuvent avoir le même ordre
de grandeur
(5.1016_ 5.1017 cm-3)
sans affecter le courant de com1 circuit du tandem
(L:c= 29 mAlcm~. La dégradation du courant n'apparait que pour des dopages
(Nal, Ndl»2.1018cm-3. Pour le rendement (figure N-5) et la tension de circuit ouvert (figure
N -15) il n'existe pas une plage de dopage où ces paramètres sont constants. Mais sur le plan
technologique les dopages optimums N al = 1018cm-3, Ndl =5.1017cm-3 sont réalisables.Dans les
matériaux ID-V du type GaAs le dopage est bien contrôlé. L'introduction des impurétés peut se
faire jusqu'à des niveaux très élévés (1019cm-3), ce qui est favorable pour l'obtention des
dopages optimums de la cellule GaAs. De plus, dans les conditions de faibles vitesses de
recombinaison superficielle, la profondeur de jonction (Ylp = 1 flm) est bien adaptée pour
l'absorption du spectre et une bonne collecte des porteurs dans GaAs_ pour ce matériau, la
limite pratique des jonctions superficielles, de l'ordre de O,2flID [53], est nettement inférieure à
Ylp = 1 flill.
3 2 , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
1\\7"
30
~~(I1
28
~\\(2)
(3)
26
24
3
2 2 - + - - - - - - - , . - - - - - - ' T - - - - - r - - - - -.... N01 (cm- )
16
17
18
19
20
10
10
10
10
10
figure N-5: Variation du rendement en fonction du dopage de la couche avant de la cellule GaAs. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont Y1=1 j.lm~ y 2p =O.lj.lm~ Y2n=10j.lm~
Sru~104cm/s~ Sn2 =
15
Sp2 =
18
10 cm/s~ Na2 = 2.10 cm-3; Nd2 = 2.l0 cm-. Les courbes sont tracées pour
17
3
divers dopages de la base de la cellule GaAs.(l)N =5.1017cm-3~
d1
(2) N d1 =2.10 cm-3;(3) Nd1 =101scm- .
CHAPITRE IV

---

79
301-r------------------ï
28
(1)
(2)
26
24
22
2 0 4 - - - - - o r - - - - - - . . . . . , . - - - - - r - - - - - - - ; N 01 (cm- 3 )
16
17
18
10
10
10
10'9
1020
Figure N-6: Variation du rendement en fonction du dopage de la couche avant de la cellule GaAs. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Y1p =O,OlJlm~ y 2p =O,lJl~ Ym=10Jlm~
18
Sul = 107 cmls; Sn2= Sp2 =10 cmls; Na2=2.10 cm·\\ N(12=2.10 15cm·3. Les courbes sont tracées pour divers
dopages de la base de la cellule GaAs.(l) Ndl=5.1016 cm·3;(1) Ndl=2.1017cm·J~(3)Ndl =2.1018cm3.

---

80
30
20
Sn1{cm/s}
103
104
105
106
107
108
Figure IV-7: Rendement maximum en fonction de la vitesse de recombinaison sur la face avant de la
cellule GaAs. Les paramètres physiques et géométriques de la cellule HgedTe sont Y'lp= O.1IHn;
Y2n=l0J.1m~ Su2=Sp2=1Ocmls~ NI2=2.1018cm-J; Nd2=2.1015cm-J_

---

81
lee (mA/em 2 )
30
20
la
101
Figure N-8: Courant de court circuit en fonction de la profondeur de jonction de la cellule GaAs avec les
18
paramètres Y~= O.1J1m; Y2rJ.= 1OJ11ll; Sn2=Sp2=lOcm/s; N;12=2.l0 cm-3; Nd2=2.1015cm-3 pour la cellule
~oCdTe.Les courbes sont tracées pour plusieurs valeurs de la vitesse de recombinaison sur la face avant de
18
la cellule GaAs:(l) Snl~ 104cmls; Ni./=10 cm-3;- N41=5.1017cm-3. (2)Snl=105cmls Ni./=1019cm-3;
Ndl=5.1017cm-3;
(3)
SnI=10t1cm1s
Nal=1019cm-3 Ndl=2.1017cm-3 (4) SnI=107cmls N;ü=1019cm-3;
Ndl=5.l016cm-3_

---

82
Veo{ v)
1 . 3 . . . . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - .
1.2
....:.(::::1:::::)
(2) -
=======::::-_
( 3)
(4)-----~
1.1
1.0
0.9.......-----,------y-------r-------.--_~
10-3
Figure IV-9: Tension de circuit ouvert en fonction de la profondeur de jonction de la cellule GaAs avec les
paramètres Y2tJ= O.lJ.lm~ Y'2n.= lOJ.lm~ SnrSp2=1OCml~ Na2=2.l018cm-3~ N.u=2.1O'5cm-J pour la cellule
HgCdTe. Les courbes sont tracées pour plusieurs valeurs de la vitesse de recombinaison sur la face avant
de la cellule GaAs:(1) Sut~ 104Cm/~ Nti=1OIllcm-3~ N.1l=5.1O'7cm-J. (2) Sut=105cm/s Nti=1019cm-3~
7
19
N.u=5.1 Ol7cm-J; (3) Snl=106cm1s Nl1=1O'9cm-3 NI1I=2.1O'7cniJ (4) Sut=10 cm/s Nti=10 cm-J;
16
N
5 10
·3
i
d1=.
cm.

---

83
30
20
la
a +-------,r------,---~-_r-~---f Y1 p (pm)
10-2
10-1
100
101
102
Figure IV-10: Rendement en fonction de la profondeur de jonction de la cellule GaAs avec les paramètres
y~=
Is
0.1I11n; Y2n= 1OJ.1IIl; Sn2=Sp2=IOcm/s; N~2.1018cm·3; Nd2=2.1O cm-3 pour la cellule HgCdTe.Les
courbes sont tracées pour plusieurs valeurs de la vitesse de recombinaison sur la face avant de la cellule
GaAs:(l) SnI~ 104cmis; N;û=10111cm-3; Nn=5.1017cm-3. (2) Snl=lOscm/s Ylp=O.2J.lm N;û=10Illcm-3;
Ndl=5.1017cm-3; (3) SnJ=106crn1s N;û=1019cm-3 Ndl=2.1017cm-3 (4) SnI=107cmls N;û=1019cm·J;
Ndl=5.1016cm-3.

---

84
Vco (v)
1.22
( 1)
1.20
(2)
1.18
(3)
1.16
1.14
___- - - - (4)
1.12
\\.10
No1{cm)
1. 0 8 ; - I - - - - - - - r - - - - - - - - , - - - - - - r - - - - ' " " " 1
1016
1017
1018
1019
1020
Figure N-ll: Variation de la tension en fonction du dopage de la couche avant de la cellule GaAs. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: YIp= 0,2J!m; Y41=0,1 /lm; y 2n= 10J1m;
Snl=10scm/s; Sn2=Sp2=1Ocm/s; NI2=2.1018cm-3; N\\l2=2.1015cm-3• Les courbes sont tracées pour divers
dopages de la base de la cellule GaAs. (1) Nd.l=2.101Scm-3; (2) Nel.1=5.1017cm-3; (3) N.u=2.1017cm-3 (4)
NI1I=5.1016cm-3.

---

85
Vco (v)
1.20~-------------------
........
( 1 )
(2)
1.15
(3)
LlO
/.05
N 01 (cm-3)
I.0Y.+-----or-----------r------or----------i
1016
1017
1018
1019
1020
Figure N-12: Variation de la tension en fonction du dopage de la couche avant de la ceUule GaAs. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont Y1p= O,02J.1lll; Y~=O.lJ.1m; Yâ1= 10J.1lll;
15
SnI=106cm/s; Sn2=Spz=lOcm/S; NaJ=2.1018cm·\\ Nif2.10 cm-3. Les courbes sont tracées pour divers
dopages de la base de la cellule GaAs. (1) Ndl=5.1017cm-3-2.10Iscm-J; (2) Nd1=2.1017cm-3; (3)
N
5 1016
-3
1 dl=.
cm.

---

86
Vco (v)
1 . 2 . - - - - - - - - ---------
( 1 )
( 2)
1.1
1.0
Figure IV-13: Variation de la tension en fonction du dopage de la couche avant de la cellule GaAs. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont Y11'= O>Ol~m~ y 2p=OJ~m~ Y2n=lO~m;
SnI=107cm/S~ Sn2=SprlOcmls~ NI2=2.1otScm-\\ Nw2.1015cm-J. Les courbes sont tracées pour divers
dopages de la base de la cellule Ga.-\\s.
3
(1) N.i1=2.1ol7cm·3-2.1018cm-:}~
16
(2) N.1.1=5.10 cm- ; (3)
Ndt=2.1otscm-J.

---

87
Icc (mA/cm 2)
30
(I)
~
( 2 ) - - - -_ _
25
20
1 5 - t - - - - - - . . . , . -
..,..-
...... N01(cm- 3 )
17
10
1018
1019
1020
Figure IV-14: Variation du courant de court circuit en fonction du dopage de la couche avant de la cellule
GaAs. Les paramètres physiques et géométriques des cenules du tandem sont: Y1p= IJlm; Y2p=O,lJlID;
Y'b1= lOJlm; SnI~104cm1s; Su2=Sp2=10cmls; NI2=2.1OIBcm-3; Ndi"'2.1015cm-3• Les courbes sont tracées pour
divers dopages de la base de la cellule GaAs. (1) NdI=5.1016cm-3_5.10I7cm·3; (2) Ndl=2.1OIBcm-3_

---

88
Vco (v)
1.22"T""""-------------------~
1.20
1.18
( 1 )
( 2)
1.16
(3)
1.14
1.12
( 4)
N o 1 (cm- 3 )
1.10 +-------.------r------...,--------I
16
10
1020
Figure IV-15: Variation de la tension en fonction du dopage de la couche avant de la cellule GaAs. Les
paramètres physiques et geométriques des cellules du tandem sont Y,p= IJlm; Y2p=O,1JlDl; Y'2zJ.= lOJlnl;
Sul~104cmls~ Su2=Sp2=IOcmls~ Nû=2.101Scmo3~ Nd2=2.1015cm-3. Les courbes sont traeées pour divers
o3
3
dopages de la base de la cellule GaAs. (1) Neu=2.101Bcm-3; (2) Nell=5.1017cm ; (3) N'1l=2.1OI1cm· .(4)
Ndl=5.1016cm-3.

---

89
IV-2-1-2 Recombinaison SUT les faces avant el arrière de III cellule HgCdTe: Srû, Sp2.
Le rendement maximum, calculé en fonction de la concentration des impuretés dans les
couches P et N, est donné par les figures IV-16 et IV-17 respectivement. Ce rendement varie
peu avec le dopage N a2 si la recombinaison sur la face avant est faible Sn2~103cm/s (courbe 1 et
3
2 figure N-16). Quand la vitesse de recombinaison Sn2>10 cm/s pour obtenir un meilleur
rendement, le dopage de la couche P doit être plus élevé. Cela permet d'augmenter la tension de
circuit ouvert comme nous l'avons souligné au paragraphe N -2-1-1. Par exemple pour
3
3
Sn2=107cm- , lorsque Na2 passe de 5.1016 à 2.1018cm- , la tension passe de Ivolt à l.04voit
(courbe 6 figure IV-18) ce qui fait croître le rendement de 24,2% à 27% (courbe 6 figure
IV -16). Dans ces conditions les pertes en surface n'affectent pas le rendement avec des vitesses
de recombinaison Sol aussi grandes que 104cm/s (figure IV-19). La figure IV-17 montre que
pour des vitesses de recombinaison sur la face avant allant de 101 à 107cm/s la concentration
Nd1 optimum est de l'ordre de 2.101Scm'3 avec Na2=2.1018cm'3, Y2p=O,IJllll, Y2n=lOJlID et
3
Sp2=10Icmls. Cette concentration passe de 2.1OIScm- à environ 2.1016cm'3 quand la vitesse de
recombinaison sur la face arrière Sp2>101cm/s. :Mais le rendement maximum correspondant est
un peu plus faible, de l'ordre de 28% pour Sp2=104-107cm/s (courbe 4 figure IV-20). Une façon
d'éliminer l'intluence des recombinaisons sur la tàce arrière, consiste à augmenter l'épaisseur
de la base (couche de type N). Nous examinerons ce point au paragraphe IV-2-2-2. Nous avons
étudié l'effet des paramètres Sp2 et Sn2 sur la tension et le courant que nous avons tracé en
fonction des dopages au point de rendement optimum. La figure N -21 montre que si la
recombinaison sur la face arrière est tàible , Sp2= 101cm/s, la tension de circuit ouvert n'atteint
pas la saturation à 2.1015cm,3. Par contre lorsque Np2> 101cm/s le point de saturation passe de
Nd2= 5.l015cm'3 (courbe 2 figure IV-21) à 1017cm'3 (courbe 3, 4, 5 figure N-21). Dans le cas
où c'est la vitesse de recombinaison sur la face avant qui varie, nous avons constate que le point
de saturation n'est pas prononcé, mais il se situe autour de Nd2=5.1015cm'3. Concernant le
courant de court circuit, il se dégrade rapidement lorsque Nd1 dépasse 5.1015cm-3 (figure N-
22) à cause même de la diminution de la longueur de diffusion des trous avec le dopage. Par
contre, nous avons constaté que le dopage Na2 n'affecte pas le courant. Cela est dû au fait que
lorsque Na2 varie, la profondeur de jonction reste toujours inférieure à la longueur de diffusion.
CHAPITRfIV

---

90
"'%
32.,....-----------------------.
30
( I) ========__-----=::::::===_
( 2)
(3)
28
(4) .
26
(5 )
24
(6)
22
3
2 0 + - - - - - - - - - , _ - - - - - - , - - - - - - - - - - " N02 (cm- )
1016
10 17
10 18
1019
Figure N-16 Rendement en tonction du dopage de la couche avant de la cellule HgCdTe. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Y1p= l~; Y2p=O,1J.UIl; Y2n=
1O~ Snl~ I04cmls; Sp2=lOcmls; Nal=1018cm-3; Nd.1 =5.1017cm-3.Nd2=2.1015cm-3 Les courbes
sont tra~es pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sur la face avant de la cellule
HgCdTe. (1) Sn2=lOl_ 102CmJS; (2) Snl=103cmJs; (3) Sn2=104cm/s; (4) Sn2=105cm/s; (5)
Snz=106cmJs; (6) Sn2=107cm/s.

---

91
11)%
32 ........- - - - - - - - - - - - - - - - - - -
30
28
26
24
22
Nd2 (cm- 3 )
2 0 + - - - - r - - - - - - , - - - - - . - - - - - r - - - - t
17
1014
1015
1016
10
1018
1019
Figure N-17 Rendement en fonction du dopage de la couche arrière de la cellule HgCdTe. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: YI p= 1J1Dl; y 2p=O, 1!J.Ill; y 2n=
1OJ.UI1; SnI~104Cm/S; Sp2=lOcm/s; Nal = 1018cm-3; Ndl=5.1017cm-\\Nd2=2.1018cm-3 Les courbes
sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sur la face avant de la cellule
HgCdTe. (1)
2
Sn2=101_10 cm/s; (2) Sn2= 103cm/s; (3) Sn2=104cm/s; (4) Snz=105cm/s; (5) Sn2= 106-
107cm/s.

---

92
Vco (v)
1 . 2 _ . _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . ,
( 1 ) -----===-------
(2) - - - -
( 3)
1.1
(4)
(5)
(6)
N02(cm-3 )
1.0 +---...:..=...:........-...,----------,------;
1016
1017
10lB
1019
Figure N -18 : Tension de circuit ouvert en fonction du dopage de la couche avant de la cellule
HgCdTe. Les paramètres physiques et géomé1riques des cellules du tandem sont: Ytp= 1J.1ID;
1
Y2p=O.IJ.1ffi; Y2n=lOJlIll; Snl~104cm1s; Sp2=IOcmls; N a1 =10 8cm-\\ Ndl=5.1017cm3.Ni2=2.1015cm-'
. Les courbes sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sur la face avant
1
2
de la cellule HgCdTe. (1) Su2=10 -10 cmls; (2) Sn2=103cm/s; (3) Sn2=104cm/s; (4) Sn2=105cm/s;
7
(5) Sn2=106cmls; (6) Sxü=10 cm1s.

---

93
30
-------~--
20
Sn2 (cm/s)
tO+-----r--""""I"'"---r------r--"""T'""'--~-.....,...-____I
100
101
102
103
104
105
106
107
108
Figure N -19: Rendement en fonction de la vitesse de recombinaison sur la tàce avant de la cellule
HgCdTe. Les paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Y 1p=lJ.lIn; Y2p=
o I I1m; y =lOIITn' S <104cmls' <::. =lOcm1s' N = 1018cm-3. N =5 lOI7cm3. N =21018cm-3.
, ,..
2n
,........,
nI...
, "-'P2
,
al
,
d l ·
)
a 2 .
)
Nd2=2.1015cm-3•

---

94
~%
32 .......- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
30
( 1 ) - -
( 2 )
--'=:::..-..
28
(3)
( 4)
26
24
22
Nd2(cm- 3 )
20-l-----.....,...----.....,.-----r-----,
1014
1015
10 16
1017
1018
Figure N-20 Rendement en fonction du dopage de la couche amère de la cellule HgCdTe. Les
paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Y1p= IJlID; Y2p=O,Ifllll; Y2n=
1O~ Snl~104CmJs; Sn2=lOcm/s; Na1 =1OIScm-3; Nd1 =5.1017cm-3;. Na2=2.1018cm-3 Les combes
sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sm la face arrière de la cellule
2
3
HgCdTe. (1) Sp2=lOI cmJS; (2) Sp2=10 cmJs; (3) Sp2=10 cmls; (4) Sp2=104-107cm/s.

---

95
Vco (v)
1.2~~:":"---------------..,
( 1)
( 2)
(3)
(4)
1.1
(5)
Nd2(cm- 3}
1.ol-----~----.-----lïO::17:---!IOI8
1014
10'5
1016
Figure IV-21 Variation de la tension de circuit ouvert en fonction du dopage de la couche arrière
de la cellule HgCdTe. Les paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont:
=5.1017cm-3;.
Y1p= IJ.1m; Y2p=O,1J.UIl; Y2n= 1Op.m; SnI~104cm/s; Sn2=lOcm/s; Nal=1018cm-3; Nd1
18
3
Na2=2.10 cm- Les courbes sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de ~mbinaison sur
1
la face arrière de la cellule HgCdTe. (1) Sp2=10 cmls; (2) Sp2=102cm/s; (3) Sp2=lOJcm/s; (4)
4
Sp2=10 cm/s. (5) Sp2=105-10Î cm/s

---

96
Icc (mA/cm 2 )
30
(1) _ _-
(2) - - - -
(3) --~
(4 )
20
10
0+------r-----.,----.------"""T"""-----1
1014
1015
Figure N -22 Courant de court circuit en fonction du dopage de la couche arrière de la cellule
HgCdTe. Les paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Ylp= IJlm;
y 2p=O,lJlm; Y2n= lOJlm; SnI~104cm/s; Sp2=1 Ocm/s; Nal=1018cm-\\ Ndl=5.1017cm\\
N =2.1018
d2
cm-3 Les courbes sont tracees pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison
4
sur la face avant de la cellule HgCdTe. (1) Sn2=101-10 cm/s; (2) Sn2=105cm/s; (3)
7
Sr.2=106cmls; (4) Sn2=10 cm/s.

---

97
N -2-2
Influence des profondeurs de jonction
N-2-2-1
Cas de la cellule GaAs
Les courbes que nous avons commentées au paragraphe N -2-1-1 permettent
également de décrire l'influence de la profondeur de jonction: dans le meilleur cas , c'est-à-dire
Snl~104cmls, la courbe 1 de la figure N -8 montre que le courant de court circuit augmente
jusqu'à saturation (Iee = 29 mAlcm2 pour une épaisseur Ylp=l~lm) lorsque la profondeur de
jonction passe-de O.OIJAm à 100JAm.ll en résulte une augmentation du rendement qui passe de
28.4% à 30% alors que la tension de circuit ouvert reste pratiquement constante Vco=l,l9volt.
2
Cette augmentation du courant est assez faible de l'ordre de 2mA/cm ce qui est lié au front
d'absorption du GaAs. En effet, l'augmentation du courant provient de l'intégration de la
tranche spectrale dont les
photons ont une énergie faible mais proche du gap Eg= 1,43ev.
Ceux-ci sont absorbés assez loin de la sUlface. il s'agit de la tranche spectrale 1.4ev<hv<1.43ev
(voir courbe 2 figure III-16 paragraphe III-S chapitre III) où l'absorption est très faible. En
déplaçant la jonction par rapport à la surface, l'on arrive à collecter les porteurs créés par ces
photons. Au déla de Ylp=IJlIll le courant de court circuit se dégrade rapidement jusqu'à
0,2mA1cm2 oÙ Ylp=20Jlm.En fait c'est la longueur de diffusion des électrons CLn = 6JAm) qui
devient faible par rapport à la profondeur de jonction. Cela veut dire qu'il se recombinent loin
de la jonction collectrice. Nous observons de ce fait une dimunition importante du rendement
4
de 300.10 à 0%. Dans le cas d'une sUlface libre de mauvaise qualité, c'est-à-dire SnI> 10 cm/s, le
courant de court circuit devient faible en raison des pertes superficielles, ce qui affecte
également le rendment. il importe de réduire la profondeur de jonction, pour améliorer le
courant de court circuit et la tension de circuit ouvert. Nous pouvons remarque que le courant
(figure N -8), la tension (figure N -9), et le rendement (figure N -10) sont d'abord constants
jusqu'à une profondeur de jonction Ylp et se dégradent ensuite. Au fur et À mesure que la vitesse
de recombinaison en surface augmente, cette profondeur de jonction se déplace vers les tàibles
valeurs. En fait, lorsque la jonction est peu profonde, l'absorption du rayonnement se fait dans
la zone de charge d'espace et la base. Dans ces conditions, la collecte des photoporteurs peut
s'effectuer sans être affectée par la recombinaison superficielle. Ainsi, lorsque la vitesse de
recombinaison SnI prend les valeurs 10.5, 106 et 107cmls la profondeur de jonction doit être
respectivement Ylp~0,2JlIll,AP~0;01Jlm et Ylp~O,OlJlm. L'on peut noter également que dans le
cas où y
0,02Jlffi la recombinaison en surface n'influe plus sur le courant. Cela se traduit par
des courbes qui se confondent pour les diverses valeurs de SnI (figure-IV-8). Par contre, celles
CHAPITREN

---

98
du rendement sont bien distinctes, ce qui est dü au fait que les recombinaisons en surface
affectent la tension de circuit ouvert.
IV-2-2-2
Cas de la cellule HgCdTe
L'influence de la profondeur de jonction Y2p sur les paramètres Icc, VCO,T)% est décrite
respectivement par les figures IV-23, IV-24 et IV-25. A Y2p constant., la recombinaison sur la
4
face avant n'affecte pas pour des valeurs Sn2~10 cmls (courbe 1 figuire IV-25). Cela provient
de ce que le courant et la tension ne varient pas comme l'on peut le noter respectivement sur les
courbe 1 des figures N-23 et N-24. Par contre, lorsque Sn2 passe de 104 à 107cmls,le
rendement maximum passe de 30% à 27% pour Y2p~0,5flIIl (courbe 1 et 4 Figure N-25). Tout
comme dans le cas de la cellule GaAs (figure IV-8), nous avons constaté que les courbes du
courant de court circuit confondent pour les faibles valeurs de la profondeur
de jonction
•
7
(y2p<0,02JlIll), Sn2 pouvant prendre toutes les valeurs entre 101 et 10 cmls, alors que les
rendements correspondants sont nettement différents. Nous avons expliqué ce phénomène au
paragraphe N-2-2-1. Dans le cas de la cellule HgCdTe la profondeur de jonction doit être un
peu plus tàible dans les condtions optimales lY2p~0.5fJm) comparée au cas de la cellule GaAs
où elle peut atteindre IfJ1ll. Cela est dü au fait que la longueur de diffusion des électrons dans
HgCdTe est beaucoup plus faible, Ln = 2,3fJm. Nous avons examiné J'influence du paramètre
Y2n sur le rendement (figure IY-26). Les courbes 1 et 2 montrent que si la recombinaison sur la
surface arrière est faible, Sp::$ 102cmls, le rendement passe par un maximum à Y2n = lOfJm.
Dans le cas où la vitesse de recombinaison devient importante (Sp2> 102cmls), les courbes du
rendement présentent un même pallier pour Y2n~lOOfJID. En effet, à partir d'une épaisseur
7
Y2n=lOOflIIl toutes les courbes se confondent., Sp2 pouvant aller de 101 à 10 cmls. Cela veut
dire que la recombinaison sur la face arrière n'a plus d'effet quand la base est épaisse. En fait,
la génération des pairs électron-trous dans la base se fait loin de la face arrière.
CHAPITREN

---

99
Icc (mA/cm 2 )
30 ........- - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
20
10
o 4--------r----..,.--------r-------1 Y2 p ( pm )
10-2
10-1
100
101
10 2
Figure IV-23 : Courant de court circuit en fonction de la profondeur de jonction de la cellule
HgCdTe. Les paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Ylp= If-llIl;
Y2n=lO~m;
SnJ~104cmls;
Sp2=lOcm/s;
Nal=101Rcm-3;
Ndl=5.1017cm\\Nâ2=2.1015cm-3
Nû =2.1016cm-3 .Les courbes sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sur
la face avant de la cellule HgCdTe. (1) Sn2~104cm/s; (2) Sn2=105cm/s; (3) Sn2=106cm1s; (4)
Sn2=107cm/s.

---

100
Vco (v)
1.2""T""--------------------~
(I)---~
( 2 ) - - - - - -
(3 )
1.1
(4)
Y2p (,um)
1 . 0 4 - - - -.........---.....,....---.....,....-----r------t
10-3
10-2
10-1
100
101
102
Figure N-24: Tension de circuit ouvert en fonction de la profondeur de jonction de la cellule
HgCdTe. Les paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Yl p= If1m;
Y2n=lOJ,UD.;
Snl~104Cm/S; Sp2=1Ocm/s; Nal =1018cm-3; Ndl=5.1017cm\\Nd2=2.1015cm-3 ,
Na2=2.1016cm-3 .Les courbes sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sur
la face avant de la cellule HgCdTe. (1) Sn2~104cm/s; (2) Sn2=105cm/s; (3) Sn2=106cm/s; (4)
Sn2=107cm/s.

---

101
'TJ%
(1)
_
30
( 2 ) - - - - -
( ' 3 ) - - - - - -
( 4 ) - - - -
20
10
m
O........- - - . , . . . . . - - - - r - - - - - , r - - - - - - , - - - - - - t Y2p(f
)
10-3
10-2
10-1
100
101
102
Figure N-25: Rendement en fonction de la profondeur de jonction de la cellule HgCdTe. Les
paramètres physiques et geometriques des cellules du tandem sont: Y1p= lJ.11ll; Y2n=lOJ1m;
S
04cmf . S -lOcrnJ· N -1018
-3. N
-5 1017
3.
N -? lOiS
-3
N -
lil
-3
nl~l
S,
p2-
S, ~ al-
cm,
d I - .
cm,.
d2-_.
cm
a2-2.l0 cm
.Les
courbes sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison sur la tàce avant de la
s
cellule HgCdTe. (1) Sn2~104cmls; (2) Sn2=lO cmls; (3) Sn2=106cmls; (4) Sn2=107cmls.

---

102
30
20
10
4
6 8 100
2
4
68101
2
Figure N-26 : Rendement en fonction de l'épaisseur de la couche amère de la cellule HeoCdTe.
Les paramètres physiques et géométriques des cellules du tandem sont: Y)p= l)-Ull;
Y2p=O,1J.UIl~
Sn)~104cm/s~ Sn2=lOcm/s~ Nal=1018cm-3~ Ndl=5.1017cm-3.Nd2=2.101Scm-3
,Na2=2.1018cm-3.Les courbes sont tracées pour diverses valeurs de la vitesse de recombinaison
sur la face anière de la cellule HgCdTe. (1) Sp2=101cmls; (2) Sra=102cm/s; (3) Srû=103cm/s;
7
(4) Sn2=104cm/s; (5) Sn2=lO'cm/s; (6) Snz=106- 10 cm/s.

---

103
IV-J
SENSmILITE AUX VARIATIONS DES PARAMETRES
Les calculs nous ont permis de déterminer les valeurs optimales des paramètres du
tandem: L:c = 29 mNcm2, V00 = 1,19 volt et Tl = 30%. Ces valeurs representent les limites à
atteindre dans la pratique. li est donc nécessaire d'étudier la sensibilité de ces paramètres à
chacun des paramètres physiques et géométriques de la photopile. Cela présente un intéret
pratique pour l'élaboration future des matériaux.
IV-3-1 SensibiliJé aux profondeurs de jonction
Dans l'étude de l'influence des profondeurs de jonction, nous avons pris pour les
paramètres Ylp et Y2p des valeurs aussi grandes que 100Jlm. De tàit, la profondeur de jonction
dépend du front d'absorption. Dans le cas des matériaux GaAs et HgI_xCdxTe, qui sont à gap
direct., le front d'absorption est très raide. Cela veut dire que l'absorption de la lumière se fait à
quelques microns de la surtàce et que les paramètres Ylp et Y2p doive être faibles. Dans le cas
du tandem GaAs! HgI_xCdxTe ils doivent varier respectivement de O,OlJIDl à 1JIDl et de 0,01 à
0,5 J.lm. La courbe 1 figure IV-10 montre que dans ce cas la variation du rendement est
assez faible, 811 = 1,6%, quand la profondeur de jonction de la cellule GaAs passe de 0,01 J.lID
au point optimum où Y!p = IJlffi. li en est de même pour le courant de court circuit dont la
variation est de l'ordre de 2 mA/cm2 (courbe 1 figure IV-8) tandis que la tension de circuit
ouvert est constante (courbe 1 figure IV-9). Concernant la profondeur de jonction de la cellule
Hgl_xCdxTe, les courbes 1 des figures IV-23, IV-24, IV-25 montrent que les paramètres L:c, Vco
et Tl% sont constants pour Y2p~O,5J11ll. Ainsi, nous pouvons noter, en conclusion que les
profondeurs de jonction Ylp et Y2p ne sont pas critiques si l'on peut les réduire suffisamment.
Cela oriente la fabrication vers les jonctions superficielles. :Mais dans la pratique leur
réalisation est très complexe car le contrôle des couches minces n'est pas facile. Par ailleurs,
plus la couche est mince plus les résistances séries sont grandes notamment pour une
utilisation avec concentration. Nous avons également étudier la sensibilité du rendement au
paramètres Y2n. La figure IV-26 montre que le rendement croît très vite avec Y2n. TI passe de
13,4% à 29,2%, avec un maximum de 30% très visible au point Y2n=10J.lID, lorsque la
I
recombinaison sur la surtàce arrière est Sp2=lO crnJs (courbe 1 figure IV-26) Y2n s'avère très
critique, en particulier quand la recombinaison sur la tàce arrière est faible Sp2~102cm/s. Pour
des vitesses Sp2> 102cm/s le rendement maximum s'obtient en prenant des valeurs très élevées
J
CHAPITRElV

---

104
pour Y2n (y2n~ lOO~m). Dans ce cas Y2n n'est pas critique, mais l'on s'écarte légèrement du
point optimum avec un rendement qui devient Tl = 29,2%.
IV-3-2 Sensibilité aux recombinaisons superficielles
Nous rappelons que les vitesses de recombinaison superficielle dans GaAs et HgI-xC~Te sont
élévées, et de l'ordre de 106-107cm/s et 1Q1_ 104cmls respectivement. Dans le cas de GaAs nous
avons pris, pour la vitesse de recombinaison superficielle SnI, des valeurs aussi tàibles que
IOICm/S parce que dans la pratique l'on peut obtenir une surface de très bonne qualité à la
condition de traiier celle-ci. L'évolution des paramètres Icc, Vco et T)% en fonction de Sni est
décrite respectivement par les courbes des figures IV-27 et IV-28. Egalement, des courbes
décrivent ces mêmes paramètres en fonction des pertes sur la face avant (figure IV-29 et IV-30)
et arrière (figure IV-31 et IV-32) de la cellule Hgl-xCclxTe. La courbe 2 de la figure IV-27
montre que si l'on sait réduire substantiellement les pertes superficielles dans GaAs le tandem
restera en équilibre (let = L:c2 = 29 mA/cm2 pour Snl~104cmls).Dans ce cas, les performances
du système ne sont pas affectées: le rendement (courbe 1 figure IV-27) et la tension de circuit
ouvert (figure IV-28) sont constants avec des valeurs de 30% et I,I9volt respectivement.
Lorsque SnI< 104cm/s les perfonnances de la photopile se dégradent. En tàit, le système n'est
plus en équilibre, il fonctionne avec la mauvaise cellule (cellule Gai\\s) dont le courant de court
circuit diminue. Nous faisons remarquer que la recombinaison superficielle dans GaAs est un
paramètre déterminant. L'écart par rapport au point obtimum est très important et le rendement
peut être réduit de 65% pour une surface de très mauvaise qualité (SnI= 107cm/s).n est donc
nécéssaire qu'un soin particulier soit consacré à la surface avant de GaAs et, à cet effet, nous
mppelons qu'il existe plusieurs traitement pour minimiser les pertes superficielles [15] [33]
[34]. Concernant les recombinaisons sur les faces avant et arrières de la cellule HgI_xCclxTe, la
figure IV-29 montre que l'effet des pertes sur la face avant est moins critique pour le courant,
Sn2 pouvant être aussi grand que 107cm/s. Par contre, la tension de cicuit ouvert se degrade dès
que Sn2> 1Q4cmls. L'on observe de ce fait une diminution du rendement qui passe de 30% à
28.7% (figure IV-30). En réalité, la vitesse de recombinaison dans le matériau Hg1_xCclxTe est
1
4
beaucoup plus faible (10 _10 cm/s), et nous pouvons noter que le courant de court circuit
(figure IV-29), la tension de circuit ouvert (figure N -29) et le rendement (figure IV-30) ne sont
pas affectés pour ces valeurs de Sn2, Les pertes sur la tàce arrière déterminent de mauvaises
performances dans le cas où l'épaisseur Y2n est faible (Y2n = 10Jtm). Les courbes (figure IV-31
et IV-32) montrent que le rendement, le courant de court circuit et la tension de circuit ouvert se
CHAPITRE IV

---

105
2
dégradent rapidement dès que Sp2> 10 cm/s. Dans la pratique l'obtention d'une vitesse de
recombinaison Sp2~ 1Q2cm/s sur la face arrière est très délicate. Le contact amère se fait en
métallisant toute la face arrière, ce qui minimise les résistances séries mais peut introduire des
centres recombinants très actifs. Cela veut dire qu'à défaut d'une bonne maîtrise technologique
l'on ne peut espérer Sp2~ 1Q2cmlS. En utilisant une base épaisse (y2n~lOOJ.LIll figureN-26), nous
obtenons un rendement de 29,2% qui est pratiquement constant en fonction de Sp2. Nous
pouvons remarquer que cette valeur est comparable au rendement optimal (3()OJO) où Y'à! =
lOJlm et Sp2 = 101cm/s.
Q!APITRE!V

---

106
30
( 1)
( 2) ===========::::::--
20
10
Figure rv-27: (1) rendement et (2) cour8J1t de court circuit en fonction de la vitesse de recombinaison
sur la face avant de la cellule GaAs. Les paramètres de calcul sont ceux du tableau N-l:Ytp=lJ.U11.;
Y2p=O,IJ.lm~
Y2n=10J.lm;
SnrSp2=10
cmls~
Nal=101Scm-J~
Ndl=5.1017cm-3;
Nd2==2.1015cm-J;
Nü =2.101Scm-J.
Vco (v)
1.20 ------------------'"'1
1.18
1.16
1.14
1.12
1.10
1.0
figure N-28 : Tension de circuit ouvert en fonction de la vitesse de recombinaison sur la tàce avant de
la cellule GaAs. Les paramètres de calcul sont ceux du tableau N-!: YI ==lJlIll; Y =0 1
.
=10
.
=;.
Sn2 =
i
Sp2 == 10 cmls; Na! :::: 1018 cm,3; Ndl = 5.1017 cm,3; N :::: 2.1015 ~'3; N ::::
lOis
Y2n
J.UI1;
d2
ü

---

107
Icc (mA/cm
)
Vco{v)
( " " - - - - - - - - - - - - -
1.4
. - I c c
30 r----------
1.3
20
101--
_
1.2
o ;--,.....-..,...--r-~___r-..........-~~__I_I.I
Sn 2 (cm /s )
101
102
103
104
105
106
107
108
Figure IV-29: Tension de circuit ouvert en fonction de la vitesse de recombinaison sur la face avant de
la cellule GaAs. Les paramètres de calcul sont ceux du tableau IV-l:YIP=l~~ 12p=O,lJlm; Y2n=lOJlm;
15
1
Su2=Sp2=1O cmls; Na.t=1018
4
cm·3; N =5.1017cm·3
cm·3
cm- .
unIs
dl
; Nd2=2.10
; NI2=2.10
Sni ~ 10
30
-----------
20
Sn2{cm/s)
10 -;--.---,--.----r---,----.---..----l
100
101
108
Figure IV-30: Rendement en fonction de la vitesse de recombinaison sur .la fi
d .
HgCdTe. Les ~ètres de calcul sont ceux du tableau IV-l'
= .
ace. avant e la cellule
cmls; N;ù=lOI cm-3• N =5 1017
41
cm·3. N =2 1015
-3. N
2 .~~ I_fID; Y2p=O,lJlm, Y1J1=lOJlm; Spr=lO
,
•
,
d 2 .
cm,;I2=.lO cm ; SnI:;;104cm/S.

---

108
Icc (mA/cm 2 )
Vco(v)
30-----------------~1.4
~Icc
1.3
20
1.2
V c o - .
1.1
Figure IV-3I:
courant de court circuit et tension de circuit o~vert en fonction de la ~ite~~~
recombinaison sur la face arrière de la cellule HgCdTe. Les ~~~ d: calc?} so~~ ~u:2.~oIScm.3~
IV-l:Ylp=lJl~ Y2p=O.IJlm~ Y2n=lOJlIIl; Su2=lO crn!s~ Nl1=l0 cm , Ndl-5.IO cm.
d2
N
I8
a2=2.IO
cm'J; SnI~104cm/s.
1)%
30
--~-------:~:
20
10
Figure IV-32: Rendement en fonction de la vitesse de recombinaison sur la face arrière de la cellule
HgCdT~. Les paramètres de calcul sont ceux du tabl~u IV-I:Y1p=IJlm; Y2p=O,IJlm; Su2=IO cm/s;
NaI=lOJ8cm'3; Ndl=5.1017cm·3; Na=2.1OIscm'3; Na2=2.1OIscm·3; (1) y2n=lOOllm; (2) y2n=lOllm.

---

109
IV-3-3 SensibiliJé aux dopages
L'effet du dopage a été étudié en faisant vaner les vitesses de recombinaison
superficielle dans les matériaux GaAs et HgI-xCdxTe. Les courbes étudiées aux paragraphes
precédents montrent que les concentrations d'impuretés dopant, conduisant à des rendements
meilleurs, dépendent de ces pertes superficielles. Ce sont elles qui causent en grande partie les
16
mauvais rendements obtenus. Au point optim~ nous avons fait varier le dopage de 5.10
à
18
1019cm-3 et de 2.1015 à 2.10 cm-3 pour GaAs et Hgl-xCdxTe respectivement. Les dopages de
la cellule GaAs s'avère très critiques, particulièrement pour le rendement et la tension de circuit
ouvert. Ceux-ci varieni rapidement avec la concentration des impuretés, aussi bien pour les
faibles valeurs que pour les grandes valeurs de SnI. De ce tàit, une sUIface de bonne qualité
ainsi que les dopages optinmms, Nal=1018cm-3 et Ndl=5.1017cm-3, doivent être réalisés. A
l'heure actuelle, les méthodes conduisant aux meilleurs durées de vie dans GaAs sont les
techniques EJM, EPL,et EPV. Elles permettent également d'obtenir des couches fortement
dopées (~1019cm-3), les dopants pouvant être les éléments des groupes TI, IV et VI (voir tableau
IV-3). Les déments Mg, Zn, Cd et Be sont utilisés pour former les matériaux de type p (ils se
substituent au gallium). Les é1ements S, Se et Te se substituent à l'arsénic pour former des
matérialL,,{ de type n. Dans le cas des éléments du groupe IV, Si, Ge et Sn sont amphotères et
donnent des matériaux de type n ou p suivant qu'ils occupent les sites du gallium ou de
l'arsénic. L'on peut aussi effectuer le dopage par diffusion, surtout pour obtenir un matériau de
type p fortement dope. Cette méthode a l'avantage de donner des couches actives avec forte
concentration d'impuretés en surface, ce qui permet de réaliser des jonctions tunnels
indispensables à la fabrication des contacts ohmiques. L'introduction des dopants peut se faire
egalement par inplantation ionique. Elle consiste à créer, dans une enceinte sous vide, les ions
des éléments dopants et de les accélérer avec un champ électrique. Cemc-ei viennent frapper la
surlàce du matériau, et suivant leurs carctéristiques (masse, énergie) pénètrent plus ou moins
profondément. Elle a l'avantage de pouvoir se faire à la température ambiante et d'introduire
des éléments bien précis. L'inconvénient de cette méthode est la création des défautrs dans le
matériau. Un recuit après implantation est un moyen efficace pour éliminer ces défauts. Dans
le cas du GaAs le recuit se fait à des températures de l'ordre de 9OO°C-lOOO°C, ce qui est
critique pour le matériau. Le recuit par laser ou par jet
d'électrons modulé serait plus
avantageux que le recuit classique. Mais ces méthocles de recuit introduiraient de nouveaux
défauts électriquement actifs [22J.
c::HAPITRI! IV

---

110
Dans le cas du matériau HgI_xCdxTe et pour des vitesses de recombinaison superficielle
Sn2~103cm/s, la concentration des impllI"étés accepteurs Na2 peut varier de 2.1017 à 2.1018cm-3
sans être nétàste pour les paramètres caractéristiques de la photopile en particulier pour le
courant de court circuit. Lorsque les pertes superficielles sont beaucoup plus faibles, cette
concentration peut aller de 5.1016 à 2.1018cm-3. Pour des vitesses Sn2> 103cm/s le paramètre Na2
devient très important d'autant plus que dans ces conditions il conduit à des faibles rendements
s'il n'est pas élevé (NQ=2.1018cm-3) et que Hg1-xCdxTe est un matériau difficile à doper.
Concernant le dopage de la base de la cellule Hgl-xCdxTe, la concentration des impuretés
donneurs Nd2 est détenninant dans toute la gamme des vitesses de recombinaison superficielle
dans ce matériau. Néanmoins, dans les conditions optimales, le dopage de la base necéssite
l'introduction d'une tàible quantité d'impureté, de l'ordre de 2.1015cm-3, qui n'est pas très
éloignée de la concentration intinsèque (n,=1,51013cm-3) calculé à partir de l'équation (3-14)
(chapitre III). Le problème épineux dans la pratique réside dans l'introduction des impuretés
dans Hgt-xCdxTe pour former la jonction P-N. Le dopage de ce matériau dépend surtout d'une
part des défauts qui sont généralement électriquement actifs, notamment des lacunes du
cadmium, et peuvent conduire à l'obtension des matériaux compensés, d'autre part des
éléments utilisés pour cette operation. Kalis~er [54] a fait une étude du comportement des
éléments dopants dans Hg1_xCdxTe obtenu par EPL à partir du matériau fondu avec des
concentrations d'impurétés de l'ordre de 3.1016cm-3. Le tableau IV-4 donne la liste des éléments
qu'il faut utiliser dans les différents groupes du tableau de mendéleiv. Il montre que l'arsenic et
l'antimoine (groupe V) et l'indium (groupe III) sont meilleurs pour former des matériaux
respectivement de type p et n. Les éléments du groupe I conduisent aux matériaux de type p
mais honnis Ag ces éléments sont très mobiles et réduisent les durées de vie des porteurs. TI en
est de même pour Zn élément du groupe II. Dans le groupe ID Ga et In sont meilleurs
comparés à. 14 qui est très mobile dans Hgl_xCd,.Te pendant le recuit, et Al dont le contrôle est
difficile à cause de son coefficient de ségrégation très elevé.Parmi les éléments du groupe N
Ge et Sn ont été utilisés. Dans le cas du dopage par diffusion, celle-ci devient inefficace quand
la concentration d'impureté est élevée. Cela a été observe dans le cas des éléments Li, P, Au,Bi
et Cu lors de leur diffusion dans CdTe (x = 1). Par exemple dans le cas de l'élément accepteur
17
3
P, la plus forte concentration introduite dans le matériau est de l'ordre de 3.10 cm-
qui
représente seulement 1% de la concentration totale d'impureté [24]. Les premières jonctions
réalisées dans CdTe par implantation ionique ont un faible rendement de dopage 0,1% à 1%.
Le substrat est de type n ou p selon que la couche convertie donne une couche de type n ou p.
Les faibles rendement de dopage s'expliqueraient par la formation des défauts et leur
CHAPITRE IV

---

III
association avec les impuretés. Par exemple la lacune du cadmium peut
s'associer avec
l'indium pour donner Wl accepteur complexe (In-Vcd) [24]. Des etudes ont tHé menées par
Getting et Stephan [24] sm les défauts et les propriétes électriques qui découlent du dopage de
CdTe par implantation ionique. La question est de savoir si la propriété de conduction du
matériau est due aux impuretés ou aux défauts issus de sa radiation: L'implantation de Bi+
(accepteur) n'a donné aucun atome en siœ accepteur et un recuit à 400°C a pennis d'éliminer ce
détàut. Dans le cas des éléments Ar+, In+, Bt et Te+ ils ont décelé des niveaux pièges qui sont
éliminés par recuit à 30û°C. Getting et Stephan ont reconunencé ces expériences mais en
effectuant un recuit du matériau avant d'implanter les impllI'étés. Ds constatent encore
l'apparition des défauts. Une implantation à température elévee serait plus avantageuse qu'un
recuit prealable. Dans ce cas, seule l'implantation de In+ a été concluant et d'aillems l'activité
de l'indiwn ne serait pas due uniquement à son effet d'impurété donneur. Ds ont conclu qu'à
l'exception des cas où l'on peut éliminer l'activation thennique des détàuts,il est difficile
d'obtenir une conduction due aux impurétés dopants introduites par implantation ionique. TI
découle de ces faits que la fabrication d'une jonction P-N avec Hgl_xCdxTe nécessite un bon
contrôle des différentes étapes de la technologie du matériau en tenant compte de ces propriétés
qui dépendent surtout de la température. L'étude de la sensibilité aux dopages peut se résumer
en deux points:
- les performances du système sont sensibles aux dopages de la cellule GaAs.
Mais les techniques du dopage sont bien connues.
- contrairement au cas de la cellule GaAs, le rendement du système est
indépendant du dopage de la cellule Hgl_xCdxTe. Dans les conditions de faibles vitesses de
recombinaison superficielle (101-102 cmls) il n'est pas indispensable d'avoir un matériau
fortement dopé (figure N -16 et N -17), ce qui est très intéressant vue que le dopage des
matéraux II-VI du type CdTe ou Hgt_xCdxTe pose un problème teclmologique, en particulier
quand l'oll veut introduire une importante concentration d'impureté de l'ordre de 1018cm-3•
Tableau N-3: Eléments utilisés pour le dopage du matériau GaAs
II
III
N
V
VI
1
Be
B
C
N
i
0
Mg
Al
Si
P
i
S
Zn
1
Ga
Ge
As
i
Se
1
Cd
In
Sn
Sb
Te
Hg
Ti
Pb
Bi
Po
GHAPITREIV

---

112
Tableau IV-4: Tableau simplifié montrant les éléments dopants et les coefficients de
sègrégation.
1 Groupe 1
1
1
fi
ID
N
V
VI
VII
1
~rg
Al
Si
,
P
S
1 Pe~ode
Na
1
Cl
1
1
Type-~
1
1
1
1
1
1,4 10-'
1
1
Période
Cu
1
Zn
Ga
Gel
As
Se i
r.-fu l
4
Type-p
1 inactif
Type-n
Type-~ 1 Type-p
Type-n? 1
5
1
85
102
1 6
, 1O-~
2
102
!
Période
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
1
5
1
i Type-p
Type-n
Type-n?
Type-p
!
10-2
20
6.10.4
5.10'
1
1
Période 1
Au
Hg
1
11
Pb
Bi
1
Po
At
1
6
1 Type-p
Type-n 1
1
1
!
,
< 10-
3.10-4
1
1
1
1
Accepteur
Donneur
Accepteur
Donneur
IV-4: ETUDE DU GAIN PAR RAPPORT A GaAs
Le gain par rapport à GaAs est donné par la différence entre les tensions et rendements
du tandem et la cellule GaAs. Nous les notons 11Vc<J et 1111. Dans les conditions optimales ce
gain est appréciable de l'ordre de 0,0249 volt pour la tension de circuit ouvert et 5% pour le
rendement. Dans ce paragraphe nous allons étudier la sensibilité du gain aux différents
paramètres physiques et géométriques qui définissent les conditions de fonctionnement du
système. Pour se faire, nous procedons par comparaison des performances de la cellule GaAs
avec celles du tandem. C'est ainsi que nous allons examiner l'effet des recombinaisons
superficielles. En ce qui concerne le rendement, la figure N-33(a) montre que le gain optimum
de 5% peut être maintenu pour des vitesses SnI ~104cmls. Ce gain se degrade assez vite quand
Snl> 104cmls alors que l1V
=
co demeure constant, (l1Voo
0,249 volt), quand SnI varie de 101 à
107cm/s (figure N -33 (b»). La dépendance du gain en fonction de SnI provient de ce que:
- la variation de SnI de 101 à 104cm/s ne modifie pas la caractéristique I-V de la
cellule GaAs.
- lorsque Sn! varie de 104 à 107cm/s, le courant de court circuit de la cellule
GaAs décroit rapidement. Aussi, le courant au point de fonctionnement de GaAs! HgI.xCdxTe
diminue et la cellule HgI.xCdxTe fonctionne avec un tension qui se rapproche de sa tension de
circuit ouvert. En d'autres termes, la contribution de la cellule Hg1,xCdxTe au rendement du
CHAPITREN

---

113
tandem diminue plus vite que celle de la cellule GaAs. Ceci veut dire que le rendement se
rapproche d'avantage du rendement de la seule cellule GaAs.
Dans le cas où nous considérons l'influence des recombinaisons sur les faces avant et
arrière de la cellule Hgl_xCdxTe l'on peut constater sur la figure IV-34 que la vitesse de
recombinaison Sol aftècte le gain en rendement (figure IV-34 (a» et tension (figure IV-34 (b»
dès que ses valeurs excèdent
4
10 cmls. Dans le cas d'une faible épaisseur Y2n=lOllID, la
re~ombinaison sur la face arrière de cette cellule diminue rapidement les gains !J.Vco et !J.Tj
2
quand la vitesse Sp2 dépasse 10 cm/s (figure IV-35). Ces gains deviennent constants au délà de
105Cm/S avec respectivement des valeurs !J.Yxo = 0,155 volt et !J.TJ = 0,25%. Lorsque
Y2n~ lOOJlIll, le gain en rendement est un peu plus faible (!J.11 = 4,2%) par rapport à sa valeur
dans les conditions optimales (~Tj = 5%). Mais la condition Y2n~lOOJilll presente ravantage de
garder des gains constants en fonction de Sp2. L'influence des profondeurs de jonction peut être
analysée à raide des courbes des figures IV-36 et IV-37. Ces figures montrent que ce n'est que
dans de bonnes conditions, c'est-à-dire des profondeurs de jonction assez faibles (ylp~l~lm et
Ylp~O,5Ilm), que les gains peuvent être constants. Nous retrouvons ici encore les caractères
essentiels des pertes superficielles et des profondeurs de jonction qui montrent la nécessité de
réaliser des surfaces de bonnes qualités et des jonctions superficielles .Nous avons examiné
l'intluence des dopages sur les gains !J.Vco et l"Tl (figure IV-38, IV-39, IV-40, IV-41). A
l'exception de la couche n de la cellule Hgl-xCdxTe(tigure IV-38), les dopages des couches
actives du tandem se sont montrés moins critiques pour ces gains. Les concentrations des
16
impurétés peuvent varier entre 5.10
et 1019cm-3. Au delà de sa valeur optimale, le dopage de
la couche N de la cellule Hgl_xCd}tTe dégrade le gain en rendement qui peut passer de 5% pour
Nd2'S5.1015cm-3 à ()OIO oÙ Nd2 = 1017cm-3. Dans la recherche de bonnes performances, un fort
dopage de la base est sans intérêt. Par ailleurs, le dopage optimum sans être critique dim point
de vu technologique, est de l'ordre de 2.1015cm-3.
c:1iAPITRE IV

---

Vco (v)
(b)
Vco (GaAs)
1'1%
(a)
1.3 1
1 1.3
30~)
1-1.2
( 2)
--- '"
1
1.2
( 1)
\\
1
+--
20-1
\\
\\
1
1.1
.-......
1-\\.1
1.0
1.0
10
(2) - - - - - . .
_
~
-
--
-
o.
0.9
o 1
i
i
i
i
1
i
1
1
0·81
i
i
1
i
i
i
i
~0.8
100
101
102
103
104
105
106
107
108
102
103
104
105
100
101
106
.107
108
Sn1 (cm/s)
Sn1 (cm/s)
( 1 ) Rendement du Tandem i (2) rendement de la cellule GaAs.
( 1) Tension du tandem; (2) tension de la cellule GaAs.
figure IV-33: Gains en fonction de la vitesse de recombinaison sur la face avant de la cellule GaAs. Les
pramètres de calcul sont ceux du tableau VI-1: Ylp=11J111~ Y2p=O,1 I-Ull~ Y2n =10 J..lIIl~ Sn2 = Sp2 = 10 cml.s~
18
17
Na! = 10 cm-3~ Nd! =
3
5.10
cm- ; Nd2 = 2. lOIS'cm'}; N = 2.101lf cm·1. (a) gain en rendement; (b) gam
û
en tension.

---

'l']%
(a)
(GaAs) 1)%
32l
r32
Vco (v)
(b)
Vco (GaAs)
,
1.31
1 1.3
30-1 (1)
~
~30
2i
LI.2
,
( 1)
28-/
,28
1.
+ -
~
L.I
1.1-1
261
1-26
( 2)
--+
iii
24 1
L24
1.0-1
1-1.0
....
....
- .
(2)
22 1
1-22
0.9~
~0.9
20 ~
1
i
i
,
1
i
i
t- 20
4
5
6
7
8
6
100
101
102
103
10
10
10
10
10
100
101
102
103
104
105
10
Sn2 (cm/s)
( 1) Rendement du Tandem " (2) rendement de la cellule GaAs.
( 1) Tension du tandem i (2) tension de la cellule GaAs.
tigure N-34: Gains en fonction de la vitesse de recombinaison sur la face avant de la cellule HgCdTe.
Les pramètres de calcul
nt
Sti
c~\\~x du~bleal:7VI-\\Y1P=1~m~ Y?r;o,l_F~ Y2n =10 ~~ ~~I ~ 104,cmls
Sp2 = 10 cm/s~ N..! = 10 cm, Nd! - 5.10
cm, Nd2 - 2.10
cm, Na2 = 2.10
cm. (a) gam en
rendemen~(b) gain en tension.

---

tf}%
Vco ( v )
( b)
Vco (GaAs)
32 1
(0)
1)% (GaAs)
i 32
1.3 i
• 1.3
30---1
(1) ~
30
(2)
«
t
i
LI.2
1.2
( 1)
281
""
128
1.11
----
ILl
261
'\\.
L26
( 3)
---+
1.0 -+
1-1.0
~
24
.........
24J
j (2)
LO.9
22
22
0.9
20.f
1
1
I i i
1
i
~ 20
6
7
8
0.8-1
1
1
I i i
1
1
~0.8
100
101
102
103
104
105
10
10
10
100
101
102
103
104
105 .
106
107
108
Sp2 (cm/s)
Sp2 (cm/s)
(1) Rendement du tandem avec Y2n= 10]Jmt (2) Rendement du
( 1) Tension du tandem i (2) tension de la cellule GoAs.
tandem avec ~2n= 100}-'m i (3) rendement de la cellule GoAs.
figure IV-35: Gains en fonction de la vitesse de recombinaison sur la face arrière de la cellule HgCdTe.
4
Les prnmètres de calcul sont ceux du tableau VI-l: Ylp=lJilll; Y:f:=O.l ~; Y2n =10 ~m; Sni::::: 10 .cmls
3
Sol = 10 cmls~ Na! = 1018 cm,3~ N
= 5.10 17
= 2.10
dl
cm,3; N d2
5 cm- ~ N a2 = 2.10 8 cm· . (a) galll en
rendemen~ (b) gain en tension.

---

"l%
Vco (v)
(a)
( b)
1.3 i
i
30
1 . 2 , 1 - - - - - - -_ _
( 1 )
20
1.1
1.0
1
\\ \\
1
10
r-
.-<
.-<
1
\\\\
1
0.9-.
,
( 2)
01
1
1
1
I Y1p(fm )
10-2
10- 1
100
101
102
0.8 1
I
i
i
1
10-2
10- 1
100
101
102
Y1p( ~m)
( 1) Rendement du Tandem i (2) rendement de la cellule GaAs.
( 1) Tension du tandem, ( 2) tension de la cellule GaAs
tigure IV-36: Gains en fimction de la profondeur de jonction de la cellule GaAs. Les pramètres de calcul
sont ceux du tableau VI-I' V =0 l~' Y =101lIn" l;.' <104 cm/s' S
=S =10 cm/s' N
= 1018 cm-3•
• •
•
•
2n
r - . '411,""
, n 2
p2
, a l
,
N
=
=2.10~
dl
5.1017 cm'3~ Nd2
cnl" ; N:a. =2.1018 cm,3. (a) gain en rendement; (b) gain en tension.

---

'l1%
(a)
32 1
1
Vco (v)
(b)
1.3
1
30J (\\)
,
'"
1.2 1
- - (1)
28j
\\
1
1.1
1
\\
1
26,
(2)
1.0
1
1
00
24
-
(2)
1
22 .
.
0.9
20 ~
,
1
i
i
1 Y2p( pm)
0.81
i
i
i
Y2plpm)
10-2
10- 1
100
101
102
10-2
10- 1
100
101
102
( 1) Rendement du Tandem; (2) rendement de la cellule GaAs.
( 1) Tension du tandem j( 2) tension de la cellule GaAs
figure IV-37: Gains en fonction de la profondeur de jonction de la ceUule HgCdTe. Les pramètres de
calcul sont ceux du tableau VI-l: i 1P = Iflll1; Y2n ==lOJJJJl~ Snl~104 cm/s; Sn2 ==Sp2=10 cmls; N;l1 == 1018
1
cm-\\ Ndl = 5.10 ? cm-\\ N42 = 2.10 5 cm-3; N a2 = 2.10 1S cm<'. (a) gain en rendement:, (b) gain en tension.

---

'T}%
(a)
Vco (v)
(b)
1.3
1
301
( 1 )
1.2
(2)
~
1
1
( 1)
\\:
1.1
--------
1
20J
\\
1
1.0
10 1
1
1
(2)
1
0.9
0\\
.....
.....
oJ
1Nd2 (cm-3)
i
i
i
14
15
16
17
18
10
10
10
10
10
1Nd2( cm':'3)
O·aI
1
i
i
1014
1015
1016
1017
1018
( 1) Rendement du Tandem; (2) rendement de la cellule GaAs.
(1) Tension du tandem\\ (2) tension de la cellule .GaA•.
ligure IV-38: Gains en fonction du dopage de la couche arrière de la cellule HgCdTe. Les pramètres de
calcul sont ceux du tableau VI-l: Ylp = l!Jffi~ 7s2p ={),1 flIll~ Y2n =10!Jffi~ Sll.1~l04 cm/s; Sul =Sp2=10 cmls;
Na.1 = 1018 cm"\\ Nd.1 = 5.10 17 cm"\\ Na2 =2.10 s cm"3. (a) gain en rendement (b) gain en tension.

---

"1%
(a)
Vco (v)
( b)
321i-----~:..:..------ i
1.3 •
•
30
( 1 ) - - - - - - -
1.2
( 1 ) - - - -
_
28
1.1.
26
1
1.0
,
(2 )
24
(2) - - - - - - - -
0.9
22
0
N
- 20~
lNa2(cm-3)
0.8~
i
1
f Na 2 (cm-3)
i
i
1016
1017
1018
1019
1016
1017
1018
1019
( 1) Rendement du Tandem \\ rendement de la cellule GaAs~
( 1) TensIon du tandem; tension de la cellule GaAs.
IIgure N-39: Gains en fonction du dopage de la couche avant de la cellule HgCdTe. Les pramètres de
calcul sont
28 ceux du tableau VI-l: Ylp ==
J
17
3
l~n; V2p==O,lll.m; Y2n ==1O~; Snl~104 cmls; Sn2 =Sp2==10 cm/s;
Na! == 10 cm- ; Ndl == 5.10 cm- ; Nd2 == 2. lOfS cm-Jo (a) gain en rendement; (h) gain en tension.

---

Vco (v)
(b)
1.3
"fl%
(0 )
TI_.:......-_-~----
11
32
1.2
30
( 1)
28
( 1)
1.1-
26
1.0-
24
(2)
1
......
-
N
22
0.9
......
( 2)
J
1
1N0 1(cm-3 )
20~
1
i
16
17
18
19
10
10
10
0.8~
3
j
i
t N0 1(cm- )
10
1016
1017
1018
1019
( 1) Rendement du Tandem ; (2) rendement de la cellule GaAs.
( 1) Tension du tandem; (2) tension de la cellule GaAs.
figure IV-40: Gains en fonction du dopage de la couche avant de la cellule GaAs. Les pramèlres de
calcul sont ceux du tableau VI-l: Ylf. = 1fJlll~ Y2p =0,1 ~~ Y2n = 1OfJlll; SnI ~ 104 cmls~ Sn1 =Sp2=10 cmls;
17
118
Ndl = 5.10 cm-\\ N21 = 2.10
cn'- ; Nc12 =2.10 15 cnf . (a) gai.n en rendement; (b) gain en tensi.on.

---

Vco (y)
(b)
11%
(o)
1.3
32 ~
1
1.2
30J
---- 1
1
( t ) -
-
1
( 1) ...........-
1
1.1
28 1
26
1.0
o.
(2) -
("~
24
N
.....
( 2)
22~
3
3
1
0.8~
i
l Nd1{cm- )
i
i
1Nd1lcm- )
10 16
10\\7
1018
1019
1016
1017
1018
1019
( 1) Ren dement du Tandem; l2) rendement de la cellule GoAs
( 1) Tension du tandem; (2) tension de 10 cellule GoAs
tigure N -41: Gains en fonction du dopage de la couche arrière de la cellule GaAs. Les prnmètrcs de
calcul sont ceux du tableau VI-l: Ylp:::: IJ.Uu; Y2p =O,lp.m; Y2n =10J11ll;
18
15
Snl~104 cmls; Sn2 =Sp2=10 cmls;
N:Il = 10 cm'3~ Nd2, =2.10 cm-J. (a) gain en rendemen~ (b) gain en tension.

---

123
CONCLUSION
Nous avons étudié le comportement du tandem par rapport aux paramètres physiques et
géométriques qui gouvernent les caractéristiques du dispositif. En associant HgI_xCdxTe à
GaAs, l'on peut gagner 5% de rendement et 0,249volt de tension de plus par rapport à une
photopile GaAs utilisée seule. L'analyse des courbes obtenues à montré que le rendement
maximum de 30% est obtenu grâce à la forte contribution de la cellule GaAs et qu'il existe deux
domaines de fonctionnement de la photopile suivant que la vitesse de recombinaison à la
surtàce de GaAs est faible ou importante:
- dans les conditions optimales, là où Sni ~ 104cm/s, ce qui suppose que la surf..'lce est de
bomle qualité, la profondeur de jonction dans GaAs peut varier dans le domaine 0,01 <Ylp<lJ.Ull
sans profondément affecter les performances de la photopile notamment sa tension de circuit
ouvert. Ce comportement s'est montré possible parce que la recombinaison sur la face avant de
Hgl_xCdxTe n'est pas critique (101~Sn2~104cm/s) et la recombiaison sur la face arrière est faible
(Sp2 = lOcmJs) avec une profondeur de jonction Y2p~0,5fl1ll et une épaisseur Y2n=lOJllll. Au
délà des valeurs définies pour Ylp et Y2p
ceux-ci dégradent le courant, la tension et le
rendement.
4
- dans le cas d'une surface de mauvaIse qualite, c'est-à-dire Sn!> 10
Cm/S,
les
paramètres .Iee, Vco et T1% deviennent très sensibles à la profondeur de jonction Ylp qui doit
prendre des valeurs plus faibles pour l'obtension d'un bon rendement (0,01~lp~0,2) . Ce
rendement reste cependant faible, comparé au rendement optimale. En fait, dans ces conditions
L
le tandem n'est plus en équilibre (L:ci <L:c2 = 29 miVcm ) et il est limité par la cellule GaAs.
Dans les deux hypothèses Sn! ~104cm/s et SnI> 104cm/s, les paramètres L:c, v,:J:J et T1% ont
montré une grande sensibilité aux dopages des couches actives de la cellule GaAs. Pour obtenir
le rendement globale de 300JO, il est nécessaire de réaliser les dopages optimums Nal = 101sem-3,
17
Ndl=5.10 cm-3 avec Ylp=l~lm. En revanche, ce rendement est indépendant du dopage Na2 si la
2
vitesse de recombinaison sur la face éc1.airee de la cellule Hgl_xCdltTe est faible (~~ 10 cmJs)
avec Y2p~O,5Ilm. L'on peut obtenir une telle vitesse en remplaçant l'interface GaAsi Hg1-xCdxTe
par une interface CdTei Hgl_xCdx.Te où l'accord de maille est partàit. Le dopage optimum de la
base de cette cellule est faible (Nd2=2.10 15cm-\\ ce qui est un avantage vu les difficultés
technologiques que pose le dopage Hgl-xCdxTe. Le rendement optimum est obtenu avec une
épaisseur Y2n=101lm et une vitesse de recombinaison sur la face arrière SP2= lOlcm/s. Toutefois
l'on peut s'a.ffranchir des vitesses de recombinaison sur la face arrière en utilisant des
épaisseurs y2~100fl1ll' Le rendement obtenu dans ce cas,(T1 = 29,2%) est proche du
QlAPITREIV

---

124
rendement optimum. Les problèmes de l'élaboration de la ;structure GaAsl HgI-xCd",Te
proviendrons d'une part de la difficulté de réalisation de jonction superficielles, d'autre part du
dopage qui nécessite une boIlIle maîtrise de la formation des défauts qui limitent les durées de
vie des porteurs. En fait , la situation n'est pas aussi pessimiste que ça, car la valeur de SnI
concerne essentiellement GaAs oÙ l'on sait fabriquer de bonnes photopiles. Par contre, le gain
dû à Hgl-xCdxTe n'est pas très sensible aux technologies. De même, pour un tandem idéa~ le
rendement doit passer de 45% à 65% et en réalité l'on passe de 25% à 30%, ce qui n'est pas
dans les mêmes proportions, mais qui n'est pas si mal. Ce qui serait intéressant est de dire pour
quelles raisons l'on ne gagne que 5% au lieu de , par example, 10% qui respecterait les
proportions de 45% et 65% et essayer de savoir si l'on peut améliorer la situation. Un gain de
5% est un avantage serieu..x si l'on considère qu'une photopile classique au silicium a un
rendemeni voisin de 15% et que pour cela il faut mettre en oeuvre la fabrication de le cellule
plus toutes les infrastructures: support, installationS... Donc un gain de 5% n'est pas à negliger
s'il ne demande pas la mise en oeuvre de technologie très sophistiquées. En particulier, les
technologies basse iempémtures (comparée au silicium lüOO°C) sont un atout majeur pour les
photopiles Hgl-xCdxTe.
CHAPlTREIV

---

125
CONCLUSION GENERALE
CHAPITRElV

---

126
Les diftèrents chapitres que nous avons développés démontrent clairement que le
conversion directe photovoltaIque est Wl moyen avantageux pour exploiter l'énergie solaire
disponible au sol. Une étude détaillée des pertes nous a pennis de mettre en évidence les
insufisances d'une jonction pour une conversion efficace du tlux solaire. Dans ce mode de
conversion photovoltaIque, ce sont les pertes intrinsèques qui limitent le rendement. Par contre,
l'utilisation simultanée de plusieurs matériaux permet de pallier à ces pertes. Nous démontré
dans ce cas qu'un rendement de idéal de 65% peut être obtenu. Dans la conversion
photovoltaïque
multispectrale,
l'association
des
matériaux
suivant
une
configuration
monolithique s'avère très avantageux d'un point de vu pratique. Le calcul du tandem a été tàit
en considérant que les jonctions sont idéales et que le courant est essentiellement contrôlé par
le mécanisme de diffusion. Toutetois l'équation caractéristique (1-V) , qui découle de ces
considérations, est applicable pour toutes les valeurs du facteur d'idéalité A qui varie entre 1 et
2. Nous avons découpé le calcul du tandem en plusieurs parties effectuant séparement chacune
des opérations d'optimisation. En effet, les deux matériaux que nous utilisons présentent des
domaines d'absorption spectrale bien délimités pour chaque matériau. Cela nous a autorisé à
faire un calcul séparé d'intégration du spectre pour déterminer les courants de court circuit et de
saturation de chaque cellule. Ces courants sont injectés dans l'équation caractéristique du
2
tandem où nous avons tàit varier le courant du systeme de 0 à 35 mA/cm .•Ailllsi, nous avons
démontré Wl rendement théorique maximum de 30% avec les contributions de 25% et 5% pour
les cellules Ga..<\\s et HgCdTe respectivement. Ces résultats ont été obtenus en utilisant les
paramètres électroniques durées de vie, mobilités et longueurs de diffusion mésures par
ailleurs. Les imprécisions sur les valeurs de ces paramètres seront à l'origine des erreurs sur les
courants de court ci.rcui~ tensions de circuit ouvert et rendements du tandem et de ces
composants. Nous avons étudier l'infuence de tous les paramètres physiques et géométriques,
ce qui nous a permis de dégager l'importance de chacun d'eu.x en particulier au point de
rendement optimmn. La vitesse de recombinaison superficielle dans GaAs peut dégrader toutes
les performances du tandem:
- pour une surface de bonne qualité, cette vitesse de recombinaision peut être égale à
104cm/s. Dans ce cas elle n'affecte pas les paramètres caractéristiques de la photopile. Au délà
de cette valeur, les pertes superficielles dans GaAs déterminent les performances de la
photopile. Dans le matériau Hg1-xCrl:.tTe la vitesse de recombinaison sur la face avant n'est pas
critique pour les valeurs que donne la littérature sur ce paramètre (lOl,;<Sn2~104cmJs).L'on peut
réaliser des valeurs plus faibles en utilisant des couches tampons. L'exemple de la structure
GaAs/CdTe/ Hgl-xCdxTe montre que l'interface GaAs/ Hg1_xCdxTe peut être remplacé par une
CHAPITRE IV

---

127
interface CdTel HgI-xCdxTe où l'accord de maille est parfait. Par ailleurs, le gap de CdTe est
plus grand que celui de Hgt-ltCdxTe, ce qui veut dire que CdTe est totalement trensparent aux
rayonnements absorbés par la cellule Hg1-xCdxTe. Sur la face arrière de cette cellue, la vitesse
de recombinaison affecte sévèrement les performances du tandem pour une épaisseur
Y2n=lOJilll. Lorsque Y2n passe de 10 à lOOIlffi, l'on observe une légère dimunition du rendement
qui passe de 300./0 à 29,2%. En revanche, pour Y2I1~100fl1ll, cette vitesse de recombinaison n'a
plus d'eftèt sur le rendement.
- dans les conditiollS optimales les profondeurs de jonction des delL,{ cellules sont
faibles, de l'ordre de llffil pour GaAs et Y2p~O,5Jlm pour Hgl-xCdxTe. Cela est dû au tàit que
dans les matériaux à gap direct l'absorption de la lumière se fait très proche de la surface. Au
délà de ces valeurs l'on assiste à une importante altération des performances du tandem. En ce
qui concerne les bases des cellules, nous avons pris une épaisseur Yln= lOO~lm dans le cas de la
cellule GaAs où la la vitesse de recombinaison est infinie sur la tàce arrière. Egalement dans le
cas de Hgl_xCdxTe, l'épaisseur de la base n'est pas critique si Y2n~ lOO!!m
- le dopage des couches actives de la cellule GaAs influe particulièrement sur le
rendement et la tension de circuit ouvert pour toutes les valeurs de la vitesse de recombinaison
superficielle SnI Lorsque la vitesse de recombinaison sur la face avant de la cellule Hgl-xCdxTe,
Stl2:::103cmls, le dopage Na2 peut varier entre 2.1017 et 2.101&cm,3 sans affecter les paramètres
caractéristiques du tandem. Par ailleurs, dans la pratique le dopage optimum de la base n'est
pas
3
critique Nd2=2.1015cm· . L'optimisation de la photopile nous permis d'évaluer des gains en
rendement et en tension de 5% et O,0249volt respectivement. Au point optimunl, les dopages
ne sont pas critiques pour ces gains. Par contre, les rec.ombinaisons superficielles et
profondeurs de jonction peuvent dégrader ces gains à mesure que celles-ci augmentent. Cela
s'observe nettement quand l'on dépasse O,5~lm et 1Q4Cm/S respectivement pour les profondeurs
de jonction et vitesse de recombinaison sur la face avant des cellues GaAs et Hg1-xCclxTe. Sur
la face arrière de la cellule Hgt-ltCdxTe, l'on peut supprimer l'effet de la recombinaison en
augmentant l'épaisseur de la base (y2n~1001ffil). Dans ce cas, le gain en rendement est un peut
plus tàible AfJ = 4,2%) mai.'i constants en fonction de la vitesse de recombinaison. Nous avons
examiné les diftèrentes teclmiques d'épitaxie couramment utilisées pour la fabrication des
hetérojonctiollS. Les difficultés à resoudre sont importantes et liées à la diftèrence des
paramètres de maille:
- li l'interface GaAs/ Hg1-ltCdxTe la densité des défauts est importante li cause du
désaccord de maille de 14,6%. Par conséquent, le contrôle de la fotmation des défauts à
l'interface est capital pour l'obtention de bonnes performances. une solution est d'utiliser des
GHAPITRElV

---

128
couches
tampons.
L'on
peut
enVlsager
des
structures
GaAslCdTelHgl_ltCd,.Te,
GaAs/ZnTe/CdTelHg1_xCdxTe et GaAs/ZnTe/CdZnTe/CdTelHg1_xCdxTe. Elle font apparaîtres
des interfaces où l'accord de maille est parlàit. En effet, les matériaux pris en sandwich ont des
parametres de maille qui varient progressivement entre GaAs et Hg1-xCdxTe. l'utilisation des
couches tampons peut se faire également sans changement d'orientation, ce qui est intéressent
pour la croissance des matériaux.
- les difficultés que posent la réalisation des jonctions superficielles et le dopage pour
former les jonctions P-N sont importantes. la température paraît être un paramètre éssentiel
dans tous les procédés de dopage que nous avons traité: pour GaAs il peut entraîner la
dissociation du matériau et pour Hg1_xCdxTe il contrôle toutes les propriétés du matériau.
Néanmoins, la technologie des matériaux du tandem se làit à basse température comparee au
cas du silicium (900°C -1 OOO°C). Cette technologie basses températures est un atout pour
l'élaboration du tandem.
Nous avons fait les calculs du tandem à partir d'un modèle simplifié qui pourrait
surestimer le rendement du système. n serait donc intéressant dans un premier temps d'évaluer
les performances du tandem en tenant compte des résistances séries, des courants de
generation-recombinaison en zone de charge d'espace et des pertes par réflexion du
rayonnement incident. Ensuite ces calculs pourront être repris en vu de chercher les
améliorations possibles, notamment en optimisant le talLX de mercure et en introduisant un
tàcteur de concentration solaire.
Egalement
,
d'autres
structures
doivent
être
examinées,
éventuellement
les
multijonctions à contacts ponctuels ou interdigités.
CHAPITRE IV

---

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