Propriétés semi-conducteurs & Simulation cellules solaires (Si, Ge)

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID-TLEMCEN
FACULTE DES SCIENCES
UNITE DE RECHERCHE
MATERIAUX ET ENERGIES RENOUVELABLES
THESE DE MAGISTER
EN
PHYSIQUE ENERGETIQUE ET MATERIAUX
présentée par :
M
me
BENAHMED BENABDALLAH Nadia
Soutenue en Juillet 2006 devant la commission d’examen :
M
r
N. CHABANE-SARI Professeur à l’université de Tlemcen Président
M
r
B. BENYOUCEF Professeur à l’université de Tlemcen Directeur de Thèse
M
r
G. MERAD Professeur à l’université de Tlemcen Examinateur
M
r
K. GHAFFOUR Maître de Conférences à l’univ. de Tlemcen Examinateur
M
r
A. CHERMITTI Maître de Conférences à l’univ. de Tlemcen Examinateur
Propriétés physiques des semi-conducteurs
(Si monocristallin et Ge) et Simulation des cellules
solaires à base de Si et SiGe

Remerciements
Je remercie ALLAH le Tout-puissant de m’avoir donner le courage, la
volonté et la patience de mener à terme ce présent travail.
Ce travail a été effectué dans l’Unité de Recherche des Matériaux et des
Energies Renouvelables (URMER) de la faculté des sciences, sous la direction de
monsieur B. BENYOUCEF, Professeur à l’Université Abou Bekr Belkaïd-
Tlemcen. Je lui exprime particulièrement toutes mes reconnaissances pour m’avoir
fait bénéficier de ces compétences scientifiques, ses qualités humaines et sa
constante disponibilité.
J’exprime mes sincères remerciements à monsieur N. CHABANE SARI,
Professeur à l’Université Abou-bekr Belkaïd Tlemcen, d’avoir accepter de présider
le Jury de cette thèse.
Je remercie sincèrement monsieur G. MERAD Professeur à l’Université
Abou Bekr Belkaïd-Tlemcen et messieurs K. GHAFFOUR et A. CHERMITTI
Maîtres de conférences à l’Université Abou Bekr Belkaïd-Tlemcen d’avoir accepter
de faire partie du Jury.
Enfin, j’adresse mes vives reconnaissances à tous les membres de
l’«URMER », spécialement à monsieur A. BENYOUCEF sans oublier les
étudiants de Magister.

Introduction générale
1
INTRODUCTION
La conversion photovoltaïque utilise le principe de la conversion directe de
l’énergie lumineuse en une énergie électrique, les cellules solaires sont capables d’effectuer
cette transformation. La première cellule solaire à homojonction en silicium a été fabriquée
en 1954 aux Laboratoires BELL avec un rendement voisin de 6%. En 1960, ce rendement a
été porté à une valeur supérieure à 10% pour les cellules solaires à base de silicium
monocristallin. De nombreux travaux de recherche sur l’amélioration du rendement de
conversion ont été publiés. Jusqu’à 1972, les applications des cellules solaires étaient
réservées au seul usage à cause de leurs prix de revient très élevé et leurs faibles
rendements.
Cependant, il est à noter que l’augmentation du rendement a été considérée plus
déterminante que la réduction du coût, car toute amélioration des performances,
optimisation des paramètres, s’applique directement en pourcentage sur le prix de l’énergie
produite.
Dans ce cas, l’objectif essentiel est l’accroissement du rendement. Ceci explique et
justifie les recherches concernant l’étude des programmes numériques de conception, de
modélisation et de simulation. Dans cet objectif, ce travail est abordé selon les chapitres
suivants :
Dans un premier chapitre, nous rappelons quelques notions fondamentales
nécessaire des semi-conducteurs. Puis, nous montrons les différents types de
recombinaison dans la cellule localisés en surfaces et en volume.
Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des différents types de silicium et les
étapes à suivre pour obtenir du silicium de qualité électronique. Puis, nous présentons les
propriétés physiques du silicium et du germanium que nous utilisons dans la simulation
numérique.
Dans le troisième chapitre, nous présentons les propriétés générales de l’alliage Si
1-
x
Ge
x
. Dans lequel nous présentons quelques notions de base du Si
1-x
Ge
x
ainsi que sa
structure de bande.

Introduction générale
2
Enfin, dans le dernier chapitre, nous décrivons les différentes étapes du logiciel
PC1D, utilisé en simulation numérique, et nous donnons quelques exemples numériques de
simulation pour différents matériaux. Les résultats obtenus ainsi sont commentés et
Interprétés grâce aux notions de la caractéristique courant tension et de la réponse
spectrale. La maîtrise du logiciel et des techniques de simulation, nous permettra
d’avantage d’étudier n’importe quelle région de la cellule solaire et tous les paramètres
physiques.

Théorie générale des Semi-conducteurs Chapitre I
3
I.1. INTRODUCTION
Actuellement les technologies de circuits intégrés utilisent encore le silicium
comme matériau semiconducteur de base. Le silicium étant un matériau semiconducteur
de largeur de bande interdite moyenne s'adapte bien aux contraintes imposées par les
applications à des températures normales, soit de 0 à 100°C. A de plus hautes températures,
la performance des technologies sur le silicium se dégrade progressivement.
Le silicium fut découvert en 1824 par J.J. Berzelius à Stockholm, en Suède. C'est,
après le carbone, l'élément le plus abondant de la terre, la répartition étant de 277.000 ppm.
On le trouve généralement sous forme de silicate dans de nombreuses roches, argiles et
terres. Le silicium est obtenu en réduisant la silice (le sable, SiO
2
) par le carbone. Une
fusion en zone subséquente donne un élément plus pur pour des applications nécessitant un
silicium de haute pureté (par exemple les semi-conducteurs) [1].
Les semi-conducteurs (germanium et silicium) possèdent 4 électrons sur leur
couche périphérique car ils appartiennent à la 4
éme
colonne de la classification périodique
des éléments. Il est possible de les produire avec un haut degré de pureté (moins de 1 atome
étranger pour 10
11
atomes de semi-conducteur): on parle alors de S.C. intrinsèque [2].
Le germanium est découvert par le savant allemand Clemens Winkler le 6 février
1886, il peut être trouvé à beaucoup d'endroits, mais en concentrations faibles. Le
germanium a servi de substrat semi-conducteur jusqu'a ce que le silicium prenne sa place,
vers les années 1970. Aujourd'hui il n'est plus utilisé que dans le domaine des hautes
fréquences, et pour la réalisation de diodes à faible chute (0,3 V environ, application en
détection) [3].
I.2. STRUCTURES CRISTALLINES
La matière condensée peut prendre deux états solides différents, suivant les
conditions dans lesquelles elle s'est formée : un état dit amorphe, dans lequel la disposition
des atomes est aléatoire, ou un état cristallisé, caractérisé par un arrangement périodique
des atomes. Les solides amorphes sont généralement appelés des verres et considérés
comme des liquides de haute viscosité. Les solides cristallisés peuvent former des
monocristaux, si la périodicité est ininterrompue dans tout le volume, ou des poly-cristaux,
s'il existe une périodicité locale et que le solide est composé d'un ensemble de grains
cristallins de taille à peu prés uniforme. Dans la microphotographie de la figure I.1, prise