Mesure par OCVD de la durée de vie des porteurs minoritaires dans des jonctions en GaSb, en GaAs et en Si : simulations et expérimentations

OCVD measurement for extraction of minority carrier lifetime in GaSb, GaAs and silicon junctions : simulations and experimentations

• Auteur / Autrice : Antoine Lemaire
• Direction : Alain Dollet, Matthieu Caussanel, Arnaud Perona
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) - Procédés- Matériaux et Energie Solaire / PROMES
• Jury : Président / Présidente : Philippe Christol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Christol, Jean-François Guillemoles, Yves Rouillard, Hélène Carrère, Guilhem Almuneau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Guillemoles, Yves Rouillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Matériaux -- Détérioration

Semiconducteurs

Photopiles

Mots clés libres

Porteurs de charge minoritaires

Durée de vie

Décroissance de la tension en circuit ouvert

Python

Multijonction

OCVD

GaSb

GaAs

Silicium

Simulation

TCAD

CPV

Multijonction

Minority charge carriers

Lifetime

Open circuit voltage decay

Python

Multijunction

OCVD

GaSb

GaAs

Silicon

Simulation

TCAD

CPV

Multijonction

Résumé

Mesurer la durée de vie des porteurs minoritaires est indispensable pour optimiser les cellules PV. La méthode OCVD le permet dans une jonction p-n. C'est une technique relativement simple à mettre en place et peu coûteuse comparée à d'autres largement utilisées comme la PCD ou la TRPL. Cependant elle a rarement été employée pour les matériaux III-V puisque les durées de vie sont généralement très faibles (<1μs). Nous nous intéressons aux semiconducteurs III-V puisqu'ils sont utilisés dans les cellules multijonctions dédiées au CPV. Afin de déterminer la durée de vie dans ces matériaux, le signal OCVD doit être modélisé. Pour ce faire, nous avons tout d'abord utilisé la simulation TCAD pour étudier l'influence du design (épaisseur du bulk et dopage de l'émetteur) de jonctions p-n en silicium et en GaAs sur le signal OCVD. Nous avons travaillé sur l'extraction de la durée de vie dans une région spécifique : le bulk. Parallèlement nous avons caractérisé des diodes en GaSb et en GaAs. À l'aide de la simulation TCAD, nous avons ajusté les courbes expérimentales I-V et OCVD. Ceci nous a permis de mettre en évidence l'importance de la diode anti-retour dans le circuit OCVD. Son temps de blocage doit être inférieur à la durée de vie à mesurer. Enfin, nous avons développé, sur la base du modèle équivalent à une diode en régime transitoire, un modèle sous Python. Il permet de simuler le signal OCVD puis d'ajuster une courbe expérimentale à partir de plusieurs variables d'ajustement (τOCVD, Nl et Rsh). Ce modèle permet également d'examiner l'influence de ces grandeurs sur le signal OCVD et donc d'appréhender davantage le comportement de la mesure.

Minority carrier lifetime measurement is essential to optimize PV solar cells. The OCVD method allows it into p-n junction. Compare to other technics widely used like PCD or TRPL, it is really simple and cheap. However it has been scarcely used for III-V materials mainly due to their low lifetime (<1μs). We focus on III-V semiconductors because they are good candidates to multijunction solar cells dedicated to CPV. Nevertheless, the OCVD signal must be simulated in order to extract lifetime in these materials. Therefore, we first used TCAD simulation to study design influence (bulk thickness and emitter doping) of silicon and GaAs p-n junctions on OCVD signal. We examined lifetime extraction in a specific region: the bulk. In parallel, we characterized GaSb and GaAs diodes. Experimental I-V and OCVD curves of GaSb p-n junctions have been fitted by TCAD simulation. It allowed to highlight the blocking diode is of major importance. Its blocking time has to be shorter than measured lifetime. Finally, we developed a model under Python based on transient single-diode model. It enables first to simulate OCVD signal, then to fit experimental curve with several fitting variables (τOCVD, Nl et Rsh). This modelling allowed to study further the variable influences on the signal and thus improved our knowledge on OCVD behaviour.