UNIVERSITE ASSANE SECK INSTITUT MATERIAUX MICROELECTRONIQUE Of ZIGUINCHOR NANOSCIENCES DE PROVENCE Titre de la Thèse : Elaboration et Caractérisation des Nanofils de Silicium et Hétéro-structures 3C-SiC/Si pour cellules solaires Pr é sent é par : Moussa TOURE Directeur : Pr Diouma KOBOR (UASZ) Co-directeurs : Pr Marcell PASQUINELLI (IM2NP) Dr Laurent OTTAVIANI (IM2NP) Dr Judikael LEROUZO (IM2NP )

1.Introduction: Contexte et objectifs de la thèse Plan 2.Pourquoi les cellules solaire à carbure de silicium? 4.Mesure des caractéristiques optiques des échantillons de 3C-SiC/ Si 5.Mesures des caractéristiques électriques des échantillons de 3C-SiC/Si 6.Conclusion 3.Présentation des échantillons de 3C-SiC / Si

1.Introduction  Contexte La production de l’électricité par la voie solaire est déterminante: amélioration des conditions de vie l’électrification des régions que l’on ne peut insérer dans le réseau national d’électrification, particulièrement dans les pays en voie de développement. Pour ces derniers qui disposent d’un gisement solaire considérable, l’énergie solaire permettra des réalisations comme: l’alimentation des installations sanitaires par des petits générateurs autonomes. le pompage d’eau potable ( consommation, bétail en zones rurales) éclairage des villages isolé. Les pays industrialisés besoin de plus d’énergie avec les avancées technologiques Or, rendement des cellules faible. Des chercheurs envisagent s’appuient: d’une part sur les nanostructures comme les nanofils de silicium [1]. d’autre part sur les matériaux semi-conducteur à grand gap (le carbure de silicium) comme couche de fenêtre pour les celles solaires [2 ; 3].. 3

 Objectifs Parmi ces objectifs stratégiques figure : Obtenir des matériaux dont le coût d’élaboration est beaucoup moins importante que ceux utilisés aujourd’hui pour les cellules photovoltaïques. Augmenter le rendement de conversion photovoltaïque à l’aide du confinement quantique. Maitrise des techniques d’élaboration des nanofils de silicium (voie chimique au LPCM à l’université Assane Seck de Ziguinchor; Réaliser des cellules solaires à base de nanofils Réaliser des cellules solaires à base de 3C-SiC/Si. Offrir une bonne plate-forme de formation dans le domaine des énergies renouvelables aux étudiants de troisième cycle et doctorants des différents établissements supérieurs du pays voir de la sous-région. Créer un start-up ou un transfert des résultats de la recherche vers les industriels afin de faciliter l'accès aux panneaux photovoltaïques à la population à bas coût. Enfin permettre au Sénégal de produire ces propres panneaux solaires à l’instar de l’Europe et des pays comme la Chine et la Corée du Sud.

2.Pourquoi les cellules solaires à Carbure de Silicium? Large bande interdite comprise entre (2,3 et 3,2eV selon le polytype), champ de claquage élevé, grande vitesse de saturation des électrons, forte conductivité thermique, bonne tenu en tension, en fréquence et en température. Ces propriétés font du SiC un matériau bien adapté à la réalisation de composants de puissance. Les recherches sur l’hétéro-épitaxie du polytype 3C-SiC sur du silicium ont donné de bon résultats et même sur du silicium peut onéreux de large diamètre: – c’est le seul polytype qui adopte une structure cubique, – la mobilité électronique du 3C-SiC est la plus élevée parmi tous les polytypes du carbure de silicium, – son gap est deux fois plus élevé que celui du silicium tout en restant inférieur aux polytypes hexagonaux. Une façon d’amplifier ce courant est de réduire l’épaisseur de la première zone insolée qui absorbe une partie de la lumière incidente. Cette approche est possible avec une couche de carbure de silicium de large gap qui absorbe la partie efficace du spectre tout en contribuant à rendre efficace le champ électrique régnant à son interface avec le silicium.

3.Présentation des échantillons de 3C-SiC / Si 8 échantillons d’hétérojonctions 3C-SiC /Si par le CRHEA de Nice: 4 échantillons sans contacts pour mesures optiques 4 échantillons avec contacts pour mesures électriques. Les contacts ohmiques sur le SiC (émetteur) sont le Ti (30nm)/Au (200nm) et sur le Si (substrat) Al (20nm) recuit à 450°C pour prévoir un peigne ou des plots face éclairée Tableau 1 : Noms et Taux de dopages des échantillons 3C-SiC/Si Substrats deux pouces, type p, (100), épaisseurs 200 µm et de résistivité 5 Ω.cm. EchantillonsTaux de dopage e 18 cm^ e 19 cm^ e 17 cm^ e 18 cm^-3

Les épaisseurs, la rugosité des interfaces, etc de la couche de SiC déterminées par ellipsométrie 4.Mesure des caractéristiques optiques des échantillons de 3C-SiC/ Si Figure 1 : Sch é ma du principe de l ’ ellipsom é trie spectroscopique [ 4 ; 5]

Le mod è le exploit é pour l ’ analyse des donn é es est le mod è le Tauc Lorentz avec un seul oscillateur employ é dans chaque cas, situ é en dehors du domaine spectral des mesures (λ centre 5. Le domaine spectral des mesures est de 250 à 980 nm soit 5 à 1.3 eV. La figure 2 ci-dessous nous permet de mieux voir les différentes parties qui composent chaque échantillon étudié avec les interfaces. Figure 2 : Sch é ma de l ’é chantillon é tudi é Air/SiC/Si

EchantillonsType de couche Pourcentage et épaisseur (nm) Rugosité des interfaces (nm) E g (eV)n inf Air/SiC50%/50% SiC2038- SiC/Si50%/50%13 SiInfini Air/SiC50%/50% SiC2141- SiC/Si50%/50%17 SiInfini Air/SiC50%/50%? SiC2027- SiC/Si50%/50%22 SiInfini Air/SiC50%/50% SiC2228- SiC/Si50%/50%16 Siinfini Le tableau 2 ci-dessous donne les diff é rents param è tres des 4 é chantillons sans contacts. Tableau 2 : Propri é t é s des couches de l ’ h é t é ro-structure obtenues par ellipsom é trie

infini (n inf ) SiC dans la litt é rature est é gale à 2,696 [6]. Cette valeur est proche de celles observ é es pour les é chantillons é tudi é s. Nous constatons que sur la figure 3 cet indice augmente lorsque le dopage diminue. Figure 1: Variation de l ’ indice de r é fraction en fonction de la longueur d ’ onde des couches de 3C-SiC avec diff é rents taux de dopage

5.Mesures des caractéristiques électriques des échantillons de 3C-SiC/Si Figure 4 : Caract é ristique I(V) sous obscurit é et sous é clairement des 4 cellules à base de 3C-SiC/Si, a) taux de dopage 4 e 17cm^-3, b) taux de dopage 2 e 18cm^-3, c) taux de dopage 7 e 18cm^-3, d) taux de dopage 3 e 19cm^-3

I(V) dans l’obscurité passe par l’origine pour tous les échantillons. I(V) ne passe plus par l’origine car la jonction entre les deux matériaux est le siège d’un courant supplémentaire. Plus le dopage est grand, meilleur sont les paramètres photovoltaïques. Au-delà de cm -3, c’est paramètres chutent. Ce qui est bien montrés dans le tableau3. Tableau3 : Grandeurs photovoltaïques des 4 échantillons avec contacts Grandeurs Physiques Taux de Dopage 4 e 17 cm^-32 e 18 cm^-37 e 18 cm^-33 e 19 cm^-3 Vco (V)0,09430,09480,09630,0936 Icc (A)0,000730,000810,000800,00076 Jcc (mA/cm²)15,24316,93116,83115,908 Pmax1,4381,6051,6221,489

. 6.Conclusion Pour utiliser le carbure de silicium à des applications optoélectroniques, des propriétés essentielles comme les propriétés optiques, physiques et électriques sont à connaitre. Des mesures de réponse spectrales et les résultats de simulation sur Scpas sont en cours d’études. Ces résultats nous permettrons de connaitre: taux de dopage, l’épaisseurs optimale de la couche de 3C-SiC à déposer sur le substrat l’épaisseur de la couche de tampon à utiliser pour réaliser des cellules tandem pour avoir un rendement plus élevé.

[1]François Vaurette, Fabrication top-down, caractérisation et applications de nanofils silicium, Soutenance de Thèse, Lille, [2] S. Bailey, R. Raffaelle, P. Nuedeck et S. Hubbard, Proceedings of the 28th IEEE PVSC, 1257 (2000). [3] R. Raffaelle, S. Kurinec, D. Scheiman, P. Jenkins et S. Bailey, Proceedings of the the 17th European PVSEC, (2001) [4] Drevillon B, Perrin J, Marbot R, Violet A, Dalby JL. Fast polarization modulated ellipsometer using a microprocessor system for digital Fourier analysis. Review of Scientific Instruments 1982; 53:969. [5] Jasperson SN, Schnatterly SE. An Improved Method for High Reflectivity. Ellipsometry Based on a New Polarization Modulation Technique. Review of Scientific Instruments 1969; 40:761. [6] Réfractiveindex.Info SiC (Silicon Carbide) Handbook of optics: β-SiC Références Bibliographiques

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