Cours Bases de la Conversion Photovoltaïque FSSM-UCA 2021/2022 PDF

FSSM- UCA 2021/2022 Cours Bases de la Conversion Photovoltaïque Pr. ABDELKADER EL KISSANI LP3ER- Conversion photovoltaïque 1  Programme A. La cell...

FSSM- UCA 2021/2022 Cours Bases de la Conversion Photovoltaïque Pr. ABDELKADER EL KISSANI LP3ER- Conversion photovoltaïque 1  Programme A. La cellule solaire Chapitre 1 : Introduction aux semi-conducteurs Chapitre 2 : La jonction PN Chapitre 3: La cellule solaire B. Les modules photovoltaïques et les champs de modules Technologie des cellules solaires, Groupement, protection, Panneau et champ de module, systèmes à concentration C. Travaux pratiques Mesures des caractéristiques des cellules solaires, effet d’orientation, effet de température, 2 L’électronique moderne utilise 3  Bibliographie 1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition) 2. PHYSIQUE DES SEMICONDUCTEURS ET DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES H. MATHIEU ET HERVE FANET – Sciences Sup – Dunod (6ème édition) 4  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs. Les semi conducteurs purs sont des solides cristallisés : 1 – Introduction. les atomes sont régulièrement disposés dans l'espace Qu’est ce qu’un semi-conducteur ? Ni un conducteur, ni un isolant. Colonne IV A : Si, Ge. Association III A-V A : AsGa, GaP,… binaire AlxGa1-xAs...ternaires AlxGa1-xAsyP1-y quaternaires Association IIB-VIA: CdS, HgTe, CdTe…. 5  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs 2– Modèle des bandes d’ énergie  Cas d’un atome noyau comporte 14 protons Energie (eV) Atome de silicium : nuage comportant 14 e− Répartition électronique : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 couche de valence : 4 e- Niveaux d’énergie électronique d’un atome isolé Les électrons évoluent sur des orbites stables correspondant à des niveaux d’énergie discrets (séparés les uns des autres). 6  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs  Si deux atomes identiques sont approchés à une distance de l’ordre de leur rayon atomique les niveaux d’énergie se dédoublent. Principe Energie (eV) d’exclusion de Pauli Niveaux d’énergie électronique de atomes proches 7  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs  Dans le cas d’un cristal, la multiplication des niveaux crée des bandes d’énergie permise (quasi-continuum), séparées par des bandes d’énergie interdites (c.-à-d. ne contenant pas d’état stable possible pour les e-). Energie (eV) Bande de valence : contient les états électroniques des couches périphériques bande permise des atomes du cristal (c.-à-d. les e- de valence, 4 pour le Si) bande permise Bande de conduction : bande permise immédiatement supérieure en bande permise énergie à la bande de valence. Les e- y sont quasi-libres, ils ont rompus leur lien avec leur atome d’origine, ils permettent la conduction d’un courant. Niveaux d’énergie électronique d’un cristal 8  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs 3- Comparaison isolants, conducteurs, et semi-conducteurs. Classification en fonction de leur résistivité 𝜌 (𝛺.m): Isolant Conducteurs Semi-conducteur 𝜌 ≥ 106 𝛺.m 𝜌 ≤ 10-6 𝛺.m 10-6 𝛺.m < 𝜌 < 10 𝛺.m 𝑳  Résistance : R= 𝝆 𝑺 𝟏  Conductivité 𝛔= 𝝆 300°K Si Ge AsGa Eg [eV] 1,12 0,66 1,43 Isolant Semi- conducteur Eg > 5 eV conducteurs Eg ~ 1 eV Eg ~ 0 eV 9  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs 4- Notion de paires électron- trou Exemple : cristal de silicium ( 4 e- de valence) Liaison covalent association avec 4 atomes voisins pour obtenir 8 e- (Stable) sur la couche de valence (règle de l’octet, la couche de valence est saturée) : Structure de la maille cristalline : cubique face centrée Cristal de Silicium 10  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs Création de paires électrons - trous A T= 0 K (pas d’agitation thermique), les électrons sont fixés, pas de déplacement des électrons ⟹ 𝑴𝒂𝒕é𝒓𝒊𝒂𝒖 𝒆𝒔𝒕 𝒊𝒔𝒐𝒍𝒂𝒏𝒕 A T > 0 K L’agitation thermique ⟹ rupture de quelque liaisons covalente ⟹ 𝒅𝒆𝒔 é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒐𝒏𝒔 𝒍𝒊𝒃𝒓𝒆𝒔 ⟹ 𝑴𝒂𝒕é𝒓𝒊𝒂𝒖 𝒆𝒔𝒕 𝒄𝒐𝒏𝒅𝒖𝒄𝒕𝒆𝒖𝒓 Lumière ou Chaleur Lorsqu'on" brise" une liaison de valence on fait grimper un électron de la bande de valence (BV) sur l'un des niveaux de la bande permise Située immédiatement au dessus que l'on appelle bande de conduction (BC). Cette opération entraine la création d'un électron libre et une place vacante dans la bande de valence que l'on appelle: trou 11  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs sous l’action d’un apport d’énergie thermique Energie ( eV) Eg Énergie minimale nécessaire pour rompre (briser) la liaison covalente représente l’énergie de band gap Eg. Déplacement des e- libres courant (charge -) Déplacement des trous : de proche en proche courant (de charges +) 12  Introduction aux semi-conducteurs I – Matériaux semi-conducteurs 5- Phénomène de recombinaison Energie ( eV) Dans un semi-conducteur il existe 2 types de porteurs de charges :  Porteurs négatifs : les électrons de la bande de conduction,  Porteurs positifs : les trous de la bande de valence. Le phénomène de création de paires e- - trous s’accompagne d’un phénomène de recombinaison (les e- libres sont capturés par les trous, ils redeviennent e- de valence). 13  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs II- Nature de semiconducteurs, On distingue : Semi-conducteurs Intrinsèque et extrinsèque 1- Semiconducteurs intrinsèques L’agitation thermique a- Définition ( lumière ou chaleur) Cristal pur (Taux d’impureté ≤ 10 ), non dopé, -10 isolant à température très basse (0 K), devient ⇓ conducteur lorsque la température s’élève et par Rupture de la liaison suite l’augmentation de concentrations des covalente porteurs »électron-trou «. ⇓ Un électron libre (−e) Un trou (+e) Exemple : cristal de silicium L’atome ion positif ( 4 e- de valence) 14  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs b-Concentration intrinsèque de porteurs à l’équilibre thermodynamique Le cristal est électriquement neutre  Densité des électrons (n) égale celle des trous (p) ⇓ ⇓ 𝒏 = 𝒑 = 𝒏𝒊  𝒏𝒊 dépend de la température Semiconducteur A (cm-3 K-3/2 𝟑 𝟐 𝑬𝒈 Si 7,5 10-15 𝒏 = 𝒑 = 𝒏𝒊 = 𝑨𝑻 𝒆𝒙𝒑(− 𝟐𝒌𝑩 𝑻) 𝐸𝑔 Loi d’action de masse : 𝑛𝑖2 3 = 𝐶𝑇 exp(− ) 𝒌𝑩 𝑇 A: constante spécifique du matériau 𝑱 𝒌𝑩 = 𝟏, 𝟑𝟖 𝟏𝟎−𝟐𝟑 𝑲 = 𝟖, 𝟔𝟏𝟎 −𝟓 𝒆𝑽.K −1 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒃𝒐𝒍𝒕𝒛𝒎𝒎𝒂𝒏 15  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs c- Loi d’action de masse : 𝐸𝑔 2 𝑛𝑖2 =𝐶𝑇 3 exp(− ) 𝑛 𝑝 = 𝑛𝑖 𝒌𝑩 𝑇 Elle est toujours vérifiée pour un cristal à l’équilibre thermique (qu’il soit intrinsèque ou non). 300 K, Si : ni ≈1,4.1010 cm-3 300 K, Ge : ni ≈ 1013 cm-3 300 K, AsGa : ni ≈107 cm-3 Remarque: La résistivité d’un semiconducteur intrinsèque décroit avec la température car le nombre de porteur croit très rapidement. 16  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs 2- Semi-conducteurs extrinsèques Obtenus par dopage, en injectant des impuretés électriquement actives et en quantité contrôlées dans le semi-conducteur intrinsèque, on obtient une conduction par électron (semiconducteur de type N) ou une conduction par trous ( semiconducteur de type P).  On distingue deux types:  Semi-conducteurs type N (conduction par électron ) Semi-conducteurs type P (conduction par trous) 17  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs a- Semi-conducteurs type N: Exemple Si de type N  lorsque on introduit dans un semi-conducteur intrinsèque des impuretés de valence 5 (pentavalent) exemples: Arsenic As, Phosphore P, l’antimoine Sb…. on obtient un semi-conducteur extrinsèque de type N Situation schématisée en figure suivante: Si dopé par As Energie ( eV) Atome d’ arsenic (As) 18  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs Chaque atome d’impureté pentavalent (P ou As ou Sb…) contient 5 électron dans la bande de valence : Energie ( eV)  4 électrons s’engagent à la formation des quartes liaisons covalentes avec Si.  1 électron faiblement lié et devient libre à la température ambiante. ⟹ La densité des électrons est supérieur à celle du semi-conducteur intrinsèque ⟹ 𝑺𝒆𝒎𝒊 − 𝒄𝒐𝒏𝒅𝒖𝒄𝒕𝒆𝒖𝒓 𝒇𝒐𝒓𝒎é 𝒆𝒔𝒕 𝒅𝒆 𝒕𝒚𝒑𝒆 𝑵 ⟹ L’atome d’impureté dans ce cas est appelée donneur 19  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs Remarque Le cristal garde sa neutralité électrique globale (à chaque électron libre donné par les atomes d’impureté correspond un cation fixe). Porteurs de charges : majoritaires : e- ; n ≈ ND , concentration du dopage, minoritaires : trous issus de la générations thermique de paires (e-) & trous tel que : 𝒏𝒑= 𝒏𝟐𝒊 𝒑 = 𝒏𝟐𝒊 /ND 20  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs  Modèle d’un semi-conducteur extrinsèque de type N : Semi-conducteur extrinsèque de type N 21  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs b- Semi-conducteurs type P: Exemple Si de type P Obtenus par dopage = introduction d’atomes du groupe III qui possèdent 3 e- sur la couche de valence (Trivalent); In, Ga, Al… 22  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs Situation schématisée sur figure suivante: Si dopé par Bore B Electron Energie ( eV) Noyau de valence B Atome de Bore (B) Processus: Dès que une liaison covalente se brise un électron est libéré et qui vient saturer la 4ème liaison Si=B Création d’un trou et d’un ion B- 𝑆𝑖 + 𝐵 ⇆ 𝑆𝑖 + + 𝐵 − trou Ion fixe 𝑺𝒆𝒎𝒊 − 𝒄𝒐𝒏𝒅𝒖𝒄𝒕𝒆𝒖𝒓 𝒇𝒐𝒓𝒎é 𝒆𝒔𝒕 𝒅𝒆 𝒕𝒚𝒑𝒆 𝑷 ⟹ L’atome d’impureté B dans ce cas est appelée atome accepteur 23  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs  Modèle d’un semi-conducteur extrinsèque de type P : Semi-conducteur extrinsèque de type P 24  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs Remarque  En équilibre pour un SC. de type P:  Les trous sont majoritaires les électrons sont minoritaires p >> n : densité des trous supérieur à la densité des électrons.  Majoritaire: trous, 𝒑 ≈ 𝑵𝒂 avec 𝒑 densité des trous et 𝑵𝑨 densité des atomes accepteurs.  Minoritaires: électrons issus de la générations thermique de paires, 𝒏𝒊 𝟐 𝒏= 𝑵𝑨 25  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs II- Concentration des porteurs libres 1- Concentration des porteurs quasi-libres dans un semiconducteur dopé a- Concentration des atomes donneur ionisés + Cas d’atome donneur: D ⇆ 𝐷 + 𝑒 − le nombre d’atomes ionisés est exprimé en fonction du nombre total d’atomes ND, introduits dans le cristal + 1 𝑁𝐷 = 𝑁𝐷 𝐸𝐷 − 𝐸𝐹 1 + 2exp( ) 𝑘𝑇 ED est le niveau d’énergie donneur auquel se trouve l’électron lié à l’atome dopant EF est le niveau d’énergie de Fermi Le facteur 2, est appelé facteur de dégénérescence 26  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs b- Concentration des atomes accepteurs ionisés Cas d’atome accepteur: A + 𝑒− ⇆ 𝐴 − concentration d’atomes donneurs ionisés, 𝑁𝐴− s’exprime par: + 1 𝑁𝐴 = 𝑁𝐴 𝐸𝐹 − 𝐸𝐴 1 + 2exp( ) 𝑘𝑇 EA est le niveau d’énergie accepteur, c’est-à-dire le niveau d’énergie statistique auquel se trouve l’électron lié à l’atome dopant. 27  Introduction aux semi-conducteurs II-Nature de semiconducteurs c- Cas d’un semi-conducteur de type N Le semiconducteur est globalement neutre la somme des charges positives est égale à celle des charges négatives. 𝑁𝐷 + + 𝑝𝑛 = 𝑛 𝑛 En raisonnant à température ambiante, si l’élément ajouté a effectivement le comportement de dopant, pratiquement tous les atomes de cet élément sont ionisés, c’est-à-dire ND+ ≈ ND 𝑛𝑖 2 2−𝑁 𝑛 −𝑛 2 =0 𝑁𝐷 + 𝑝𝑛 = 𝑛 𝑛 𝑁𝐷 + =𝑛𝑛 𝑛 𝑛 𝐷 𝑛 𝑖 𝑛𝑛 𝟐 2 𝑁𝐷 + 𝑁𝐷 +4𝑛𝑖 2 𝒏 𝒊 Si 𝑁 ≫ 𝑛 𝒏𝒏 ≈ 𝑵𝑫 et 𝒑𝒏 = 𝑛𝑛 = 𝐷 𝑖 𝑵𝑫 2 28  Introduction aux semi-conducteurs Exercice 1 A 300 K, un barreau en silicium de est dopé par des atomes de phosphore de concentration 1017 cm-3. On donne concentration intrinsèque étant de 1,6 1010cm-3 et la concentration totale d’atomes de silicium étant de 5.1022cm-3. 1-Préciser le type du semiconducteur formé. 2- Déterminer la concentration des électrons. 3- Déterminer la concentration des trous. Exercice 2 Un barreau en silicium de est dopé par des atomes de Arsenic de concentration 1015 cm-3. On donne concentration intrinsèque étant de 1,6 1010cm-3 Déterminer n et p. 29  Introduction aux semi-conducteurs d- Cas d’un semi-conducteur de type P Le semiconducteur est globalement neutre la somme des charges positives est égale à celle des charges négatives. 𝑁𝐴 − + 𝑛 𝑝 = 𝑝𝑝 En raisonnant à température ambiante, si l’élément ajouté a effectivement le comportement de dopant, pratiquement tous les atomes de cet élément sont ionisés, c’est-à-dire 𝑁𝐴 − ≈ NA 𝑛𝑖 2 2−𝑁 𝑝 −𝑛 2 =0 𝑝𝑝 −𝑁𝐴 −𝑛 𝑝 = 0 𝑝𝑝 − 𝑁𝐴 − =0 𝑝𝑝 𝐴 𝑝 𝑖 𝑝𝑝 𝑁𝐴 + 𝑁𝐴 2 +4𝑛𝑖 2 𝒏𝒊 𝟐 𝑝𝑝 = Si 𝑁𝐴 ≫ 𝑛 𝑖 𝒑𝒑 ≈ 𝑵𝑨 et 𝒏𝒑 = 2 30 𝑵𝑨  Introduction aux semi-conducteurs d- Cas général Dans le cas général, les deux types de dopants peuvent exister simultanément dans le matériau. − + Equation de neutralité dans le semiconducteur: 𝑁𝐴 + 𝑛 = 𝑁 𝐷 +𝑝 − 𝑁𝐴 concentration des accepteurs ionisés Le semiconducteur sera de type n ou de type p , si à 𝑁𝐷 + concentration en donneurs ionisés la température considérée, la concentration en 𝑛 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 donneurs ionisés ou en accepteurs ionisés respectivement est la plus grande (le plus nombreux 𝑝 𝑡𝑟𝑜𝑢𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 l’emporte). 𝑁𝐴 − 𝑁𝐷 + 𝑁𝐴 − 𝑁𝐷 2 +4𝑛𝑖 2 𝑁𝐷 − 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 − 𝑁𝐴 2 +4𝑛𝑖 2 Si 𝑁𝐴 > 𝑁𝐷 Si 𝑁𝐴 < 𝑁𝐷 𝑛𝑛 = 𝑝𝑝 = 2 2 31 32