Modélisation analytique et simulation numérique de la technique de photoluminescence modulée appliquée à des matériaux semi-conducteurs

Analytical modeling and numerical simulation of modulated photoluminescence applied on semiconductor materials

• Auteur / Autrice : Nicolas Moron
• Direction : Jean-Paul Kleider, José A. Alvarez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Kleider, Olivier Palais, Anne Kaminski-Cachopo, Thomas Fix, Jean-Baptiste Puel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Palais, Anne Kaminski-Cachopo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Photoluminescence

Semiconducteurs

Mots clés libres

Matériaux semi-conducteurs

Photovoltaïque

Photoluminescence

Photoluminescence modulée

Modélisation

Semiconductor materials

Photovoltaics

Photoluminescence

Modulated photoluminescence

Modeling

Résumé

Le photovoltaïque est de plus en plus considéré comme une technologie privilégiée de la transition énergétique. Pour concevoir des panneaux photovoltaïques performants, il est nécessaire d'étudier les matériaux semi-conducteurs utilisés avec des techniques de caractérisation avancée. Différentes techniques expérimentales basées sur l'étude de la photoluminescence émise par ces matériaux ont déjà montré leur intérêt. Dans cette thèse, je m'intéresse à la photoluminescence modulée (MPL) qui a récemment permis d'observer des résultats expérimentaux intéressants sur des échantillons de couche mince de CIGS.Les travaux effectués cherchent à expliquer le lien entre les propriétés d'un échantillon (en particulier les mécanismes de recombinaisons des porteurs libres) et le diagramme de phase obtenu. Pour cela, j'ai développé un modèle analytique simplifié, basé sur les équations de la physique des semi-conducteurs, grâce auquel je peux faire le lien entre la présence d'un piège à porteurs minoritaires et l'apparition d'une forme particulière sur le diagramme de phase. Ce modèle a ensuite été validé par des simulations numériques par éléments finis avec le logiciel Silvaco Atlas. L'utilisation de simulations numériques a également permis d'approfondir l'étude de la technique de MPL, pour illustrer certaines applications au-delà de ce que permet le modèle analytique. Alors que la technique de MPL avait été utilisée pour caractériser la durée de vie effective dans le silicium, les résultats prometteurs obtenus dans cette thèse montrent qu'elle peut aussi l'être pour des semi-conducteurs à faible durée de vie.

Photovoltaics is increasingly seen as a key technology for the energy transition. To design efficient photovoltaic panels, it is necessary to study the semiconductor materials used with advanced characterization techniques. Different experimental techniques based on the study of the photoluminescence emitted by these materials have already shown their interest. In this thesis, I am interested in modulated photoluminescence (MPL) which has recently produced interesting experimental results on CIGS thin film samples.The work carried out seeks to explain the link between the properties of a sample (in particular the recombination mechanisms of free carriers) and the phase diagram obtained. For this purpose, I have developed a simplified analytical model, based on the equations of semiconductor physics, through which I can relate the presence of a minority carrier trap to the appearance of a particular shape on the phase diagram. This model was then validated by numerical simulations using finite elements with the software Silvaco Atlas. The use of numerical simulations also enables further study of the MPL technique, to illustrate some applications beyond what the analytical model can do. While the MPL technique had been used to characterize the effective lifetime in silicon, the promising results obtained in this thesis show that it can also be used for short-lifetime semiconductors.