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UNIVERSITE MARIEN NGOUABI FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES MÉMOIRE Etude ab-i

UNIVERSITE MARIEN NGOUABI FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES MÉMOIRE Etude ab-initio des propriétés électronique et optique des hétérojonctions Te/SnX2 (X=S, Se, Te) Pour l’obtention du diplôme Master ès Sciences et Techniques Présenté et soutenu publiquement par MAMONA OUAMBA Amour Darel Le 12 Février 2022 JURY Président: MOUSSOUNDA Paul Sand, Professeur Titulaire Université MARIEN NGOUABI Examinateurs: MOUKETO Landry, Maitre Assistant Université MARIEN NGOUABI DOUMA Dick Hartmann, Maitre Assistant Université MARIEN NGOUABI Directeur : M’PASSI MABIALA Bernard, Professeur Titulaire Université MARIEN NGOUABI Année 2020-2021 Introduction générale Méthodologie Résultats et discussions Conclusion générale et perspectives Plan de l’exposé 1 2 3 4 1 Introduction générale 1/2 2 (Image NREL) Introduction générale 1/2 2 Cellules solaires photovoltaïques (Image NREL) Introduction générale 1/2 2 SILICIUM CRISTALLIN Silicium monocristallin (sc-Si/ mono-Si) Silicium multicristallin (mc-Si/ poli-Si) COUCHES MINCES Tellurure de Cadmium (CdTe) Cuivre Indium (Galium) Sélénium (CIS & CIGS) Silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et microcristallin (μc-Si) Arséniure de Gallium (GaAs) et matériaux III-V ORGANIQUE (OPV) Cellules à colorants (DSC) Cellules à polymères Cellules à pérovskites Te/MX2 Cellules à concentration Multi-jonctions HYBRIDES Cellules solaires photovoltaïques (Image NREL) Introduction générale 1/2 2 SILICIUM CRISTALLIN Silicium monocristallin (sc-Si/ mono-Si) Silicium multicristallin (mc-Si/ poli-Si) COUCHES MINCES Tellurure de Cadmium (CdTe) Cuivre Indium (Galium) Sélénium (CIS & CIGS) Silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et microcristallin (μc-Si) Arséniure de Gallium (GaAs) et matériaux III-V ORGANIQUE (OPV) Cellules à colorants (DSC) Cellules à polymères Cellules à pérovskites Te/MX2 Cellules à concentration Multi-jonctions HYBRIDES Cellules solaires photovoltaïques (Image NREL) Introduction générale 1/2 2 Propriétés du tellurène • Coefficient d’absorption élevé • Mobilité des porteurs élevée 2.87 • Stabilité à température ambiante Cellules solaires photovoltaïques SILICIUM CRISTALLIN Silicium monocristallin (sc-Si/ mono-Si) Silicium multicristallin (mc-Si/ poli-Si) COUCHES MINCES Tellurure de Cadmium (CdTe) Cuivre Indium (Galium) Sélénium (CIS & CIGS) Silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et microcristallin (μc-Si) Arséniure de Gallium (GaAs) et matériaux III-V ORGANIQUE (OPV) Cellules à colorants (DSC) Cellules à polymères Cellules à pérovskites Te/MX2 Cellules à concentration Multi-jonctions HYBRIDES (Image NREL) Introduction générale 1/2 2 Propriétés du tellurène • Coefficient d’absorption élevé • Mobilité des porteurs élevée 2.87 • Stabilité à température ambiante Cellules Te/MoTe2 et Te/WTe2 ont présenté une activité optique α > 105cm-1. SILICIUM CRISTALLIN Silicium monocristallin (sc-Si/ mono-Si) Silicium multicristallin (mc-Si/ poli-Si) COUCHES MINCES Tellurure de Cadmium (CdTe) Cuivre Indium (Galium) Sélénium (CIS & CIGS) Silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et microcristallin (μc-Si) Arséniure de Gallium (GaAs) et matériaux III-V ORGANIQUE (OPV) Cellules à colorants (DSC) Cellules à polymères Cellules à pérovskites Te/MX2 Cellules à concentration Multi-jonctions HYBRIDES Cellules solaires photovoltaïques (Image NREL) Introduction générale 2/2 3 C’est quoi le tellurène? α-Te β-Te γ -Te SnX2 (X = S, Se, Te) α-Te a une structure 1T-MoS2, la phase β-Te présente la structure tétragonale et γ-Te cristallise sous 2H-MoS2. Calcul de la structure électronique Equation de Schrödinger: • Approximation de Born-Oppenheimer • Approximation de Hartree • Approximation de Hartree-Fock Theorie de la fonctionnelle de la densité: • Hohenberg et Konh: • Konh et Sham: Approximations utilisées en DFT: • LDA: • GGA: Méthodologie 1/2 4 Théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps • Théorme de Runge-Gross: Calcul du spectre optique d’absorption : • Théorie de la réponse linéaire : • Polarisabilité et coefficient d’absorption : Algorithme de bi-orthogonalisation de Lanczos: • Densité de l’état fondamental • Construction de la matrice densité • Deduction de I(w) Méthodologie 2/2 5 : itération Lanczos : coefficient d’absorption Optimisation des monocouches: L’énergie de coupure est fixée à 45 Ry pour toutes les monocouches, sauf SnSe2 (50 Ry) La grille des points-k générée est 6×6×1 pour toutes les monocouches sauf 7×7×1 pour α-Te et β-Te. Résultats et discussions 1/12 6 Structures de bandes des monocouches: Toutes les monocouches sont semi-conductrices sauf la monocouche SnTe2 qui est métallique. Résultats et discussions 2/12 7 0.53eV 0.87eV 0.56eV 1.12eV 0.39eV α-Te β-Te γ-Te SnS2 SnSe2 SnTe2 0.00eV Modélisation des hétérojonctions Te/SnX2 (X = S, Se, Te) α-Te/SnS2 α-Te/SnSe2 α-Te/SnTe2 Résultats et discussions 3/12 8 Modélisation des hétérojonctions Te/SnX2 (X = S, Se, Te) β-Te/SnS2 β -Te/SnSe2 β-Te/SnTe2 Résultats et discussions 4/12 9 Modélisation des hétérojonctions Te/SnX2 (X = S, Se, Te) γ-Te/SnS2 γ -Te/SnSe2 γ -Te/SnTe2 Résultats et discussions 5/12 10 Stabilité et paramètres structuraux des hétéro-structures Résultats et discussions 6/12 11 Structures de bandes des hétérojonctions α-Te/SnS2 α-Te/SnTe2 α-Te/SnSe2 Résultats et discussions 7/12 12 0.35eV 0.44eV • α -Te/SnS2 semi-conducteur à gap indirect • α -Te/SnSe2 semi-conducteur à gap indirect • α -Te/SnTe2 métal Structures de bandes des hétérojonctions β-Te/SnS2 β-Te/SnTe2 β-Te/SnSe2 Résultats et discussions 8/12 13 • β -Te/SnS2 semi-conducteur à gap direct • β -Te/SnSe2 semi-conducteur à gap indirect • β -Te/SnTe2 métal 0.33eV 0.18eV Structures de bandes des hétérojonctions γ-Te/SnS2 γ-Te/SnTe2 γ-Te/SnSe2 Résultats et discussions 9/12 14 • γ -Te/SnS2 semi-conducteur à gap indirect • γ -Te/SnSe2 semi-conducteur à gap indirect • γ -Te/SnTe2 métal 0.42eV 0.22eV Répartition des charges Excepté le système γ-Te/SnS2 , SnX2 (X= S, Se) est accepteur et le tellurène est donneur. LUMO HOMO γ-Te/SnS2 α-Te/SnS2 Résultats et discussions 10/12 15 Spectres optiques d’absorption Résultats et discussions 11/12 16 Spectres optiques d’absorption Tableau récapitulatif sur l’activité optique des hétérojonctions Résultats et discussions 12/12 17 3.21 0.54 4.91 0.44 3.02 8.62 Conclusion générale: • Les hétérojonctions sont toutes stables. • Les hétéro-structures sont toutes semi-conductrices exceptés les cas α-Te/SnTe2, β-Te/SnTe2 et γ-Te/SnTe2. • Le tellurène joue le rôle de donneur et le semi-conducteur SnX2 est accepteur pour toutes les hétérojonctions semi-conductrices à l’exception du système γ-Te/SnS2. • Les hétéro-structures absorbent fortement dans le visible. Conclusion générale et perspectives 1/2 18  Perspectives • Utiliser des fonctionnelles plus adaptées telles que les fonctionnelles hybrides pour mieux prédire les propriétés électronique et optique. • Étendre cette étude aux composés XSb (X= Ge, Ga, Sn). Conclusion générale et perspectives 2/2 19 uploads/Litterature/final.pdf