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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE ABOU - BEKR BELKAID DE TLEMCEN FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE UNITE DE RECHERCHE MATERIAUX ET ENERGIES RENOUVELABLES (URMER) Mémoire de Projet de Fin d’Études Pour obtenir le diplôme de MASTER EN PHYSIQUE Option : Matériaux, systèmes et énergies renouvelables Présenté Par MOSTEFAOUI Mohammed Amine Sur le Thème Les membres du jury : Président : Mr N. CHABANE SARI ……..Pr (Univ. Tlemcen) Encadreur : Mme. A. FARDEHEB....................MCB (Univ. Tlemcen) Examinateurs : Melle. M. BOUCHAOUR………..MCB (Univ. Tlemcen) Mr L. MERAD………………..MCA (Univ. Tlemcen) Année universitaire : 2014 - 2015 Contribution à l’amélioration des performances des cellules solaires à base de InGaN Remerciement Je remercie en premier lieu Dieu tout puissant de nous avoir accordé la puissance et la volonté pour terminer ce mémoire. Je tiens à remercier Madame Amina FARDEHEB, Maitre conférences à l’Université de Tlemcen qui a accepté de m’encadrer, et je lui exprime particulièrement toute ma reconnaissance pour m’avoir fait bénéficier de ses compétences scientifiques, ses qualités humaines et sa constante disponibilité. Mes remerciements les plus élogieux vont à Monsieur N.CHABANE SARI, Professeur à l’université de Tlemcen, pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury de mémoire. Mes sincères remerciements à mademoiselle M. BOUCHAOUR, Maitre de conférences, ainsi à Monsieur L. MERAD, Maitre de conférences de nous avoir honoré par leurs présences au jury en tant qu’examinateurs. J’adresse mes remerciements à toute personne m’ayant apporté aide et soutien durant la réalisation de ce mémoire. J’exprime mes vifs remerciements à ma famille pour l’aide et les multiples soutiens et encouragements prodigués tout au long de la préparation du présent travail. Enfin, je remercie tous: Mes collègues du laboratoire URMER pour leur soutient. Dédicaces Je dédie ce travail en signe de respect A mes très chers parents pour le soutien, l’amour, la patience, l’écoute, et la bonne humeur ; A mes cher frères et sœurs ; A mes tantes, oncles, cousins et cousines, neveux et nièces ; A mes enseignants depuis mon enfance ; A tous ceux qui m’ont aidé de prés ou de loin pour réaliser ce mémoire ; A ceux qui me sont chère et ceux que j’aime du fond de mon cœur. Résumé : L’énergie photovoltaïque convertit directement l’énergie Lumineuse en énergie électrique par des cellules solaires. Selon les besoins, l’électricité produite peut être utilisée pour l’alimentation d’un site isole ou revendue en tout ou partie au réseau de Distribution. Ce travail consiste à étudier et simuler une cellule solaire à base du matériau InGaN. Après avoir rappelé les caractéristiques d’une cellule solaire, l’influence des différents paramètres sur les caractéristiques de la cellule étudiée. Mots clés : Nitrure d’Indium Gallium, cellules solaires, simulation. ملخص: انخاليا انكهزوضىئيت تحىل انطاقت انضىئيت يباشزة إنى طاقت كهزبائيت. انكهزباء انًىنذة يًكن استخذايها نتشويذ انًىاقع انًعشونت او تباع انى شبكاث انتىسيع .هذا انعًم هى دراست ويحاكاة انخاليا انشًسيت باستعًال سبائك InGaN .ثى نذكز بخصائص انخاليا ،انشًسيت وتأثيز تغييز انخصائص انفشيائيت عهى خصائص انخهيت انتي شًهتها انذراست . الكلمات المفتاحية: اإلنذيىو نيتزيذ ،انغانيىو وانخاليا ،انشًسيت وانًحاكاة. Summary : Photovoltaic energy directly converts Light Energy into electrical energy by solar cells. Depending on requirements, the electricity generated can be used for powering a site or isolates sold in part or in Distribution network. This work is to study and simulate a solar cell based on the InGaN material. After recalling the characteristics of a solar cell, the influence of various parameters on the characteristics of the studied cell. Keywords: Indium Gallium Nitride, solar cells, simulation. LISTE DE FIGURES LISTE DE FIGURES INTRODUCTION GENERALE Figure 1 : Pénétration des énergies renouvelables dans la production nationale TWh………..2 CHAPITRE I Figure 1.1 : Tableau périodique partiel………………………………………………………..4 Figure 1.2 : Structure wurtzite, exemple du GaN……………………………………………..6 Figure 1.3 Structure cubique zinc-blende, exemple du GaN………………………………….6 Figure 1.4 : Diagramme de la bande du GaN. Le maximum de la bande de valence est pris comme le 0 des énergies. Le gap d'énergie interdite correspond à la partie grisée……………7 Figure 1.5 : Diagramme de bande de l'InN. Le maximum de la bande de valence est pris comme le zéro des énergies. Le gap d’énergie interdite correspond à la partie grisée………...7 Figure 1.6 : Position relative des bandes pour le groupe des III-N. Les lignes pointillées représentent le niveau de Fermi pour la concentration d’électrons libres maximale atteignable dans GaN et InN……………………………………………………………………………....11 Figure 1.7: Mobilité des porteurs libres dans In1-xGaxN en fonction de la température……..12 Figure 1.8 : Schéma des chemins optiques au niveau d’un dioptre plan………………….....15 CHAPITRE II Figure 2.1 : Relation d’épitaxie entre GaN et le saphir……………………………………...18 Figure 2.2 : Schéma synoptique d’un bâtit d’épitaxie par EPVOM…………………………22 Figure 2.3 : Schéma synoptique d’un bâti d’épitaxie par EJM………………………………24 Figure 2.4 : Schéma de principe d’une gravure chimique photo assistée de GaN…………..27 Figure 2.5 : Photographie au microscope à balayage d’une couche GaN gravée par photochimie…………………………………………………………………………………...27 Figure 2.6 :Photographie au microscope à balayage d’une couche GaN gravée par CAIBE..30 CHAPITRE III Figure 3.1 : Effet photovoltaïque…………………………………………………………….31 Figure 3.2 : Création et diagramme de bande d’une jonction PN……………………………33 Figure 3.3 :Caractéristiques I(V) à l'obscurité et sous éclairement d'une cellule photovoltaïque……………………………………………………………………………….. 34 LISTE DE FIGURES Figure 3.4 : Schéma équivalent d’une cellule solaire………………………………………..35 Figure 3.5 : Caractéristiques I(V) et P(V) d'une cellule solaire……………………………...37 Figure 3.6 : Association en série de Ns cellules solaires……………………………………..39 Figure 3.7 : Association en parallèle de Np cellules solaires identiques……………………40 Figure 3.8 :Association mixte de NSP branches et de NMS modules composés de Nc cellules solaires identiques…………………………………………………………………………….41 Figure 3.9 : Schéma de la cellule solaire pin en double hétérojonction proposée par Jani et al…………………………………………………………………………………..42 Figure 3.10 : Schéma de la cellule solaire pin en double hétérojonction proposée par Neufeld et al……………………………………………………………………………………………42 Figure 3.11 : Schéma de la cellule solaire pin à hétérojonction n- In0,4Ga0,6N/p-Si proposée par Tran et al………………………………………………………………………………….43 Figure 3.12 : Schéma de la cellule solaire pin à double hétérojonction proposée par Zeng et al………………………………………………………………………………………………44 Figure 3.13: Schéma de la cellule solaire pin proposée par Cai et al………………………..45 Figure 3.14 : Schéma de la cellule solaire pin homojonctionproposée par Islam et al……...46 Figure 3.15 : Schéma de la cellule solaire pin MQWsavec 12 périodes InGaN(3nm)/GaN(17nm) proposée par Dahal et al…………………………………………..47 CHAPITRE IV Figure 4.1 : Structure InGaN d’une cellule solaire uni-jonction……………………………..48 Figure 4.2 : Influence du dopage de l'émetteur sur le Rendement…………………………..50 Figure 4.3 : Influence du dopage de l'émetteur Na sur le courant de court-circuit Icc (Na=Nd)…………………………………………………………………...51 Figure 4.4 : Influence du dopage de l'émetteur sur la tension à circuit ouvert (Na=Nd)…….52 Figure 4.5 : Influence de l'épaisseur de l'émetteur sur le rendement de la cellule…………...53 Figure 4.6 : Influence de l'épaisseur de l'émetteur sur le courant de court-circuit…………..54 LISTE DES TABLEAUX LISTE DES TABLEAUX INTRODUCTION GENERALE Tableau 1 : Potentiel solaire en Algérie………………………………………………………1 CHAPITRE I Tableau 1.1 : Paramètres structuraux pour le GaN et l’InN………………………………….5 Tableau 1.2 :les paramètres de l'équation de Varshni………………………………………...9 Tableau 1.3 : Paramètres g et d du GaN et de l’InN………………………………………….9 Tableau 1.4 les propriétés électriques du GaN et de l'InN à 300 K………………………….13 Tableau 1.5 : Résumé des propriétés thermiques du GaN et de l'InN....……………………16. CHAPITRE II Tableau 2.1 : Comparatif des principales propriétés du GaN et des substrats les plus utilisés pour sa croissance…………………………………………………………………………….20 Tableau 2.2 : Résumé des différentes techniques de gravure plasma utilisées dans le cas des nitrures de gallium, aluminium et indium……………………………………………………29 CHAPITRE IV Tableau 4.1 : Paramètres de simulation à 300 K pour une concentration de 65% de l’InN………………………………………………………………………………………49 Tableau 4.2 Comparaison avec des travaux similaires……………………………………...54 SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE……………………………………………..1 CHAPITRE I : Description du nitrure de gallium-indium (InGaN). Introduction …………………………………………………………………… 4 1.1. Définition d’InGaN………………………………………………………..4 1.2. Propriétés structurales……………………………………………………..5 1.3. Propriétés électriques …………………………………………………......6 1.3.1. Gap d’énergie interdite dans les nitrures ……………………………..6 1.3.1.1. Expression du gap des matériaux InxGa1-xN………………………8 1.3.1.2 . Evolution du gap d’énergie interdite en fonction de la température……………………………………………………. 8 1.3.1.3. Evolution du gap d’énergie interdite en fonction de la pression…………………………………………………………9 1.3.2. Caractère intrinsèque de type n dans les nitrures…………………....10 1.3.2.1. Energie de stabilisation du niveau de Fermi………………….......10 1.3.2.2. Concentration d’électrons dans les nitrures……………………...11 1.3.3. Mobilité des porteurs dans les nitrures………………………………12 1.3.4. Longueur de diffusion……………………………………………. …12 1.3.5. Résume des propriétés électriques du GaN et de l’InN………………13 1.4. Propriétés optiques ……………………………………………………….14 1.4.1. Indice de réfraction…………………………………………………....14 1.4.2. Coefficient d’absorption………………………………………………15 1.5. Propriétés thermiques……………………………………………… ……15 1.5.1. Conductivité thermique ……………………………………………..15 1.5.2. Expansion thermique………………………………………………...16 Conclusion……………………………………………………………………..16 CHAPITRE II : Procèdes Technologiques Etapes et Filière. Introduction…………………………………………………………………….17 2.1. Substrats : Hétéroépitaxie……………………………………………........17 2.1.1. Croissance sur saphir………………………………………………… 17 2.1.2. Croissance sur SiC……………………………………………………18 2.1.3. Croissance sur AlN …………………………………………………..19 2.1.4. Croissance sur ZnO……………………………………………….. …19 2.2. Les techniques d'élaboration des nitrures………………………………..20 2.2.1. Epitaxie en phase vapeur à partir d'hydrure (EPVH)………………..21 2.2.2. Epitaxie en phase vapeur par métal organiques (MOVPE)………….21 2.2.3. Epitaxie par jets moléculaires (EJM)………………………………...23 2.3. Les procédés de dopage………………………………………………….25 2.3.1. Le dopage de type N…………………………………………………25 2.3.2. Le dopage de type P…………………………………………………25 2.4. Gravure…………………………………………………………………..26 2.4.1. Gravure chimique …………………………………………………..26 2.4.2. Gravure plasma………………………………………………….. …28 Conclusion…………………………………………………………………….30 CHAPITRE III : Le photovoltaïque Fonctionnement et Technologies. Introduction…………………………………………………………………….31 3.1. Principe de fonctionnement d’une cellule………………………………...32 3.2. Caractéristiques électriques d’une cellule solaire………………………...33 3.3. Circuit équivalent d'une cellule photovoltaïque…………………….. …..35 3.4. Paramètres de la cellule solaire…………………………………………..36 3.4.1. Le courant uploads/Geographie/ article 6 .pdf