Les photopiles solaires (amorphes et cristallines) • Les ...
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Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface
• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)
• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats
• Autres applications (détecteurs, réprographie)
• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si
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Le spectre solaireLe spectre solaire
Effet de l’altitude :•AM0 : spectre solaire hors l’atmosphère (voisin du corps noir 5800 °K) : applications spatiales
•AM1 : soleil au zenith(absorptions dans l’UV et dans l’IR)
•AM2 : inclinaison de 60° par rapport au zenith
Bonne approximation : AM 1.5 (844 W/m2) inclinaison 45°
Nécessité de grandes surfaces de conversion
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Le solaire photovoltaïque : un gisementpotentiellement sans limite
Le solaire photovoltaïque : un gisementpotentiellement sans limite
Quelques chiffes…
• Le rayonnement solaire récupérable sur le territoire français représente
200 fois la consommation totale d’énergie du pays
• Le seul équipement de la moitié des toits permettrait de couvrir 100 % des
besoins en électricité
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Effet photovoltaïque : principe généralEffet photovoltaïque : principe général
•Création d’une paire électron-trou par un photon d’énergie supérieure à Eg.
•Séparation des porteurs si diffusion jusqu’à la zone de charge d’espace
Circuit électrique équivalent : diode (jonction p-n) en parallèle avec une source de courant IL (excitation des porteurs par le rayonnement solaire). Caractéristique I(V) :
La caractéristique I(V) traverse le troisième quadrant : possibilité d’extraction d’énergie.Voc : tension de circuit ouvert (I=0)Isc : courant de court-circuit
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Photopiles solaires : rendement idéalPhotopiles solaires : rendement idéal
Analogie avec jonction p-n, le courant peut être exprimé(densités d’états, temps de vie et coefficient de diffusion des porteurs) :
S : surface de la photopile. Voc correspond à I = 0 :(dépendance logarithmique en fonction de l’illumination)
La puissance maximum Pm = ImVm correspond à dP/dV = 0 :
Pm = ImVm ~ IL (Em/q)
avec (β= q/kT) : Em = q[Voc – 1/β ln(1+βVm) – 1/β]
Le courant de court-circuit peut être obtenue à partir de la densité de photons du spectre solaire dnph/dhν :
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Photopiles solaires : rendement idéalPhotopiles solaires : rendement idéal
Rendement idéal : η = Pm / Pinc = 31% pour Eg = 1.35 eV
• Forte dépendance de l’absorption en fonction de l (photons UV-bleu convertis à la surface du composant)• C : concentration (C=1 correspond à AM 1.5)
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Augmentation du rendement des photopiles : cellules tandemAugmentation du rendement des photopiles : cellules tandem
Eg1 = 1.56 eV Eg2 = 0.94 eV : η = 50 % (C=1000)
Eg1 = 1.75 eV Eg2 = 1.18 eV Eg3 = 0.75 eV : η = 56 % (C = 1000)Faible gain au-delà de trois matériaux
Réalisation difficile avec c-SiSemiconducteurs amorphes bien adaptés
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Exemple de photopile solaire : c-SiExemple de photopile solaire : c-Si
Nécessité d’une couche anti-reflet (réflectivité des semiconducteurs de l’ordre de 25 % dans le visible)
Zone n généralement obtenue par implantation
Rendements typiques :>10 % sur plaquettes microélectronique (200-300 mm)~ 10 % rubans polycristallins gros grains (moyennes surfaces)
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Photopiles solaires a-Si:HPhotopiles solaires a-Si:H
Comparaison Silicium cristallin / amorphe :
Une cellule photovoltaïque a-Si:H ne peut être basée dur une jonction p-n !
La largeur de la charge d’espace peut être obtenue à partir de l’équation de Poisson. Avec la longueur de diffusion : L = (Dτ)1/2 et la mobilité : µ = eD/kT (D : coefficient de diffusion).
Effets de diffusion négligeables dans a-Si:H (faible mobilité). La collecte des charges s’effectue dans la zone de charge d’espace : nécessité d’étendre cette zone.
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Photopiles solaires a-Si:HPhotopiles solaires a-Si:H
Jonction p-i-n :Largeur de zone de déplétion :
a-Si:H i W ≤ 1µm
a-Si:H p,n W ~10-20 nm
Les zones p et n servent à établir le champ électrique interne mais ne contribuent pratiquement pas à la collecte.
Problèmes technologiques :
• Absorption des photons bleus (profondeur de pénétration : 12-20 nm)
•Absorption dans le rouge (épaisseur limitée par la largeur de charge d’espace : 0.5 - 1 µm)Diagramme de bande d’une photopile p-i-n
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Photopiles solaires : comparaison c-Si / a-Si:HPhotopiles solaires : comparaison c-Si / a-Si:H
Malgré la diminution du rendement de conversion, l’utilisation du a-Si:H permet une diminution du coût de l’énergie produite.
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Photopiles solaires : alliages amorphesPhotopiles solaires : alliages amorphes
Possibilté de faire varier le gap entre 1.0 et 2.2 eV, à partir d’un mélange gazeux (dépôt plasma).
•Utilisation dans la fenêtre d’entrée pour diminuer l’absorption dans les couches dopées (a-SiC :H).
•Problème : augmentation des défauts dans les alliages (différence d’affinitéchimique de H pour C, Si, et Ge)
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Photopiles solaires a-Si:HPhotopiles solaires a-Si:H
Dépôt préalable d’une couche transparente conductrice sur le substrat de verre : SnO2, ITO, ZnO… (électrode)
Utilisation d’une « fenêtre »SiC (zone dopèe p)Rendement typique :
8 % (a-Si;H)> 10% (tandem)Schéma d’une photopile a-Si:H et cellule tandem
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Photovoltaïque : une activité en très forte croissance
Forte croissance du PV
Forte croissance en 2005 avec de nouveauxacteurs tels que Sharp, MHI, et Fuji, et une augmentation de la capacité
de Kaneka et UniSolar
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 20040
400
800
1200
MW
05
101520253035404550
1999 2000 2001 2002 2003 2004
a-SiCIS/CdTe
et des couches minces !
Source: Strategies Unlimited
• Une croissance moyenne de 39% sur les huit dernières années et un marché de 7 Md$ en 2004
• Une croissance prévue de 32% par an et un marché de 30 Md$ à l’horizon 2010
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Objectif : réduction du €/WattObjectif : réduction du €/Watt
Couches mincesAugmenter la vitesse de dépôt
Augmenter le rendementComment ?
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Photovoltaïque : une activité dominée par deux pays
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Japo
n
Etats-U
nisAustra
lieAlle
magne
Espag
ne
France
Italie
Suisse
Pays-B
as
Norvège
Il y a un rapport de 1 à 15 entre la filière française (750 emplois) et la filière allemande (11 000 emplois)
Effectifs des filières photovoltaïques de différents pays(recherche, industrie et autres, 2003)
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Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface
• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)
• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats
• Autres applications (détecteurs, réprographie)
• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si
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Les transistors en couche mince (TFTs) à base de a-Si:HLes transistors en couche mince (TFTs) à base de a-Si:H
Comparaison avec c-Si
• Faible mobilité des trous (10-2 / électrons) : composants à canal n seuls
possibles
• Forte densité de défauts dans les couches dopées
• Transistors bipolaires (npn…) inconcevables en amorphe
• Transistors à effet de champ bien adaptés (structure planaire)
• Procédés d’élaboration incompatibles avec l’oxydation haute température
(Ts < 300°C)
• Structures MIS (isolant : nitrure de silicium)
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Structure d’un TFT à base de a-Si:HStructure d’un TFT à base de a-Si:H
Coupe et vue de dessus•d (a-Si:H ) ~ 3-50 nm (canal ~ 10 nm)•d (a-SiNx) ~ 2-300 nm•L ~ 5 µm• W ≥ 10 µm
Structure de bande :•Interfaces a-Si:H/a-SiNx comportements différents•Meilleurs résultats : grille « en dessous »(« Bottom gate »)
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Caractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:HCaractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:H
Comportement analogue au transistor MOS à base de c-Si
Très grande dynamique
Tension de seuil : VT ~ 1 V
L (resp. W) : Longueur (resp. largeur) du canal
Expression générale du courant source-drain :CG : capacité grilleµFE : mobilité effective des électrons
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Caractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:HCaractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:H
Région linéaire (VD faible), conductance du canal :
Application numérique : d(SiNx) = 300 nm, ε =7 =>CG = 2 10-8 Fcm-2;avec W/L = 10 et µFE = 1 cm2V-1cm-1 : gD = 10-6Ω-1
pour VG = 5 V (environ 1000 fois plus faible que pour c-Si)
Régime de saturation (dJD / dVD = 0) :
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Principe de fonctionnement des cristaux liquidesPrincipe de fonctionnement des cristaux liquides
Twisted nematic :
Principe: rotation de la polarisation pilotée en tension (∆θ~ 90°C)
Epaisseur typique ~ 5 µm
Composant « basse tension » :tension de basculement : 5-10 V, excursion ∆V ~ 2 V
Possibilité de niveaux de gris
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Application : écran à matrice active (AMLCD)Application : écran à matrice active (AMLCD)
Architecture électrique d’une matrice active commandée par des TFTs
Vue en perspective d’un écran AMLCD
Défi technologique ~ 107 cellules (< 10 défauts) : coût 150 € !
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Schéma de fonctionnement dynamique d’un écran AMLCDSchéma de fonctionnement dynamique d’un écran AMLCD
Exemple : Téléviseur (500x500)•Chargement rapide de la capacité (cristal liquide) : Ron (source-drain) faible•Maintien de l’information : Roff grand•Valeur typique : Roff/Ron ~ 104 – 105
Application numérique :Capacité cristal liquide 10 pF (par pixel)Fréquence trame (rafraîchissement) : 30 HzPériode adressage ligne (30 ms/500) : 60 µsChargement pixel (>10 V) => ion ~ 1.5 µAMaintien de l’image : RC(TFT) > 30 ms
ioff < 10-10 A Ecrans AMLCD possibles avec a-Si:H (> 1000x1000)
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Display market revenues by type(data from DisplaySearch)
Display market revenues by type(data from DisplaySearch)
Total year 2000:52 G$
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Active matrix liquid crystal displays (AMLCDs): panel structureActive matrix liquid crystal displays (AMLCDs): panel structure
Pixel cross-section Exploded view
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Back channel etch (BCE) TFT is the most popular Back channel etch (BCE) TFT is the most popular
µn ~ 1cm2/Vsµp ~ 10-3cm2/Vs
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TFT plate process: 5 masks, semiconductor-type processTFT plate process: 5 masks, semiconductor-type process
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AMLCD panel with backlight and drive electronicsAMLCD panel with backlight and drive electronics
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Substrate area: Glass for AMLCDs vs SiliconSubstrate area: Glass for AMLCDs vs Silicon
AMLCD glass:x 2 every 3.6 years
Silicon substrates:x 2 every 7.5 years
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Production machines follow the trend: AKT, Unaxis,Ulvac...Production machines follow the trend: AKT, Unaxis,Ulvac...
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Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface
• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)
• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats
• Autres applications (détecteurs, réprographie)
• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si
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Détecteurs matriciels en grande surfaceDétecteurs matriciels en grande surface
• Détecteur de rayons X : a) architecture électrique de la matrice; b) Schéma de principe du détecteur
Principe d’un photodétecteur matriciel •TFT off : accumulation des charges
• TFT on : transmission des données
• Autre exemple : barrette de Fax ( 2-3000 pixel) : détecteur linéaire (A4). Spécifications similaires aux écrans AMLCD : ion ~ 1 µA
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Application à la xérographieApplication à la xérographie
Principe : chargement de la surface par une décharge « couronne » (~ 400 V); puis exposition à l’image : décharge sélective par photoconductivité; enfin, impression de la photocopie à laide du toner.
Nécessité de fortes épaisseurs (10-20 µm) pour éviter les claquages;
Temps de développement (0.5 s) compatible avec faible mobilité (< a-Si:H)
Problème : éviter la décharge de la surface en l’absence d’illumination :• compensation du a-Si:H (diminue la génération thermique de porteurs)• suppression de l’injection arrière (contact bloquant)• suppression de la conduction de surface (a-SiNx)
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Example of threshold voltage drift of an a-Si:H TFT under low gate voltage
Example of threshold voltage drift of an a-Si:H TFT under low gate voltage
Solar cells : Decrease of energy conversion efficiency upon light exposure (Staebler Wronsky effect)
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BOTTOM GATE TFTs
µc-Si BG TFTs : 300 nm thick layer deposited by PECVD (SiF4/ H2/ Ar) = (1/12/25) with excellent characteristics and stability
-20 -10 0 10 201E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
µlin=2.8 cm2/V.s
µsat=1.6 cm2/V.s
W/L = 35µm / 7 µm
Vds=0.1V Vds=10V
I ds (A
)
Vgs (V)
source
Gate insulator
µ c-Si
gate
drain
-20 -10 0 10 20
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
before stress stressed, 1000 s
I ds1/
2
Vgs
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TFTs microcristallins (µc-Si )
• Caractéristiques électriques stables
• Augmentation de la mobilité (facteur 2-5)
• Possibilité d’intégration (partielle) d’intégration des circuits de
commandes dans la même technologie
• Matériau compatible avec la technologie a-Si:H actuelle (BG) :
niveaux de masquage...
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Interest of polysilicon technology: AMLCDsInterest of polysilicon technology: AMLCDs
Matrix
Line Drivers
Matrix
Column drivers
Integration of the driving electronics at marginal cost
40
Crystallisation of a-Si: pulsed laser system with line beam opticsCrystallisation of a-Si: pulsed laser system with line beam optics
XeClXeCl, 308 nm, 50Hz, 308 nm, 50Hz
y
x
El
TopTop--hat energy profilehat energy profile
Largest line beam (Microlas):350 mm X 250 µm
L = (Dτ)1/2
D = κ/ρCp
L ~100 nm in SiO2, for τ ~25 ns
41
Polysilicon TFTs: top gate structurePolysilicon TFTs: top gate structure
Passivation de grille
Substrat + passivation (SiOx)
Couche activepoly-Si
Oxyde de grilleMo
AlMo
Mo
Drain Source
W = 3µmL = 10µm
42
Grain size: process window at SLG regimeGrain size: process window at SLG regime
λλ(( µµ
m)
m)
Laser energy density (a.u.)Laser energy density (a.u.)
∆E=2%
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High performance Poly-Si TFTs (SLG Energy)High performance Poly-Si TFTs (SLG Energy)
10-13
10-11
10-9
10-7
10-5
0.001
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
I ds [A
]
Vgs
[V]
Vds
(V)
631
0.30.1
Type S (V/dec) Vt (V) µ (cm²/Vs)N 0.2 1.2 350P 0.3 -2.4 150
44
“Safe process”: compromise on grain size“Safe process”: compromise on grain size
λλ(( µµ
m)
m)
Laser energy density (a.u.)Laser energy density (a.u.)
“Safe process range”
45
Typical Al-gate TFT characteristics Typical Al-gate TFT characteristics
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-09
1E-08
1E-07
0.000001
0.00001
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Vgs (V)
Ids
(A)
µn ~ 200 cm2/Vsµp ~ 70 cm2/Vs
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Les applications électroniques en grande surface -techniques d’affichage
Les applications électroniques en grande surface -techniques d’affichage
Importance des applications des TFTs à base de a-Si:H dans les
écrans plats AMLCD
Avantage : faible coût de procédés
Limitations : Faible mobilité du a-Si:H (0.5 – 1 cm2/Vs) et phénomènes d’instabilité
Substitution du a-Si:H par nc-Si (plasma) ou p-Si (laser)
Augmentation de la mobilité : 2-5 (nc-Si) à 100-300 cm2/Vs (p-Si)
Suppression des phénomènes d’instabilité
p-Si : augmentation du coût des procédés
Nouvelles technologies d’écrans : OLED
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Cellules PIN et tandem PIN/PINCellules PIN et tandem PIN/PIN
400 600 800 1000
Spec
tral
res
pons
e [a
.u.]
Wavelength [nm]
a-Si:H
µc-Si:H
Micromorph
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
1 cm2 Hybrid cell
AM 1.5, 25 oC
(KANEKA double-light
source simulator)
Jsc: 14.4 mA/cm2
Voc: 1.41 V
F.F. : 0.719
Eff: 14.5%
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
1 cm2 Hybrid cell
AM 1.5, 25 oC
(KANEKA double-light
source simulator)
Jsc: 14.4 mA/cm2
Voc: 1.41 V
F.F. : 0.719
Eff: 14.5%
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
1 cm2 Hybrid cell
AM 1.5, 25 oC
(KANEKA double-light
source simulator)
Jsc: 14.4 mA/cm2
Voc: 1.41 V
F.F. : 0.719
Eff: 14.5%
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
1 cm2 Hybrid cell
AM 1.5, 25 oC
(KANEKA double-light
source simulator)
Jsc: 14.4 mA/cm2
Voc: 1.41 V
F.F. : 0.719
Eff: 14.5%
0
5
10
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0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5
Cur
rent
(mA
)Voltage (V)
1 cm2 Hybrid cell
AM 1.5, 25 oC
(KANEKA double-light
source simulator)
Jsc: 14.4 mA/cm2
Voc: 1.41 V
F.F. : 0.719
Eff: 14.5%
light
GlassTCO
µc-Si:H
(Bottom cell)
a-Si:H(Top cell)
Back contacts
Tandem PIN/PIN
Structure PIN
10 nm P(a-SiC:H)
Intrinsic a-Si:H ~0.3 µm
N(a-Si:H)Al contact
SnO2
Glass substrate