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MÉMOIRE 

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by

Sebai Marwa

on 4 January 2016

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Transcript of MÉMOIRE 

Marwa SEBAI

Sujet de thèse
Etude des propriétés électriques des matériaux semiconducteurs

en couches minces élaborées par évaporation thermique sous vide

Introduction
Bibliographie
Conclusions
Introduction
Bibliographie
pour x=1
pour x=0
Le Cu FeSnS , connu sous le nom de stannite à l'état naturel, se cristallise selon la structure tétragonale compacte du type stannite
Le Cu2FeSnS4 est un nouveau semi-conducteur
absorbeur quaternaire de la famille I -II-IV-VI



La technologie à base de CFTS utilise des matériaux qui permettent d’éviter les métaux lourds et sont facilement disponible à coût moindre .




L’intérêt de ces candidats est dû à leurs propriétés optiques, électriques et structurales, leurs énergies de gap sont bien adaptées à la conversion de l’énergie solaire.
la structure cristalline du Cu FeSnS
Le matériau Cu2FeSnS4 est un mélange stoechiométrique des éléments Cu (cuivre), Fe (Fer), Sn (étain) et S (soufre).
Les semi-conducteurs de la famille quaternaire chalcogénure ont attiré l’attention des chercheurs à travers le monde pour leurs potentiels d'applications comme le photovoltaïque, l’optique non linéaire, et l’électrique.
Structure cristalline du
Cu ZnSnS
Le Cu ZnSnS , noté généralement CZTS, est un nouveau semi-conducteur absorbeur pour les cellules solaires en couches minces

Ce composé est constitué uniquement par des éléments non toxiques et abondants dans la croûte terrestre tels que le zinc et l’étain (plus abondants que l’indium).
Propriétés électriques
La spectroscopie d'impédance complexe a été appliquée pour la première fois aux électrolytes solides à la fin des années soixante par J. Bauerle .
Variation du CZTS en fonction de la fréquence
La méthode de la pointe chaude

Appelée également "Hot Probe Method", c'est une technique qui repose sur le principe de l'effet thermoélectrique (Effet Seebeck).

Elle est rapide, fiable et très utilisée pour déterminer le type de conductivité d'un semi-conducteur (n, p ou intrinsèque )
L'évolution de la résistance électrique des couches minces de Cu2FeSnS4 recuites à l'air libre et recuites sous atmosphère de soufre pour différentes températures, au cours des cycles de chauffage et de refroidissement
.
Toutes les couches minces possèdent une conductivité de type ''P''.
Valeurs des résistances électriques et le type de conductivité des couches minces Cu/Zn/Sn/S élaborées à différentes Ts
Evolution de la résistance en fonction de la température

La variation au niveau de le température peut être attribuée à un changement du comportement métallique à un comportement semi-conducteur de la couche mince.

Les différents types des circuits équivalents
Cas d'un échantillon polycristallin
Résultats obtenus pour CZTS
Diagramme d'Argand correspondant à la présence de joints de grains dans le matériau .
Diagramme d'Argand est un circuit életrique équivalent à des électrodes bloquantes

Lorsque les électrodes sont semi-bloquantes, une diffusion finie ou infinie des porteurs de
charges mobiles a lieu au niveau de l'électrode
Cas d'électrodes semi-bloquantes
Spectres d'impédance complexe à différentes températures .
L’évolution des courbes Z″=f(Z′) avec la température montre le comportement thermique de la résistance du matériau.
les deux courbes (Z′ et Z″) ne se croisent pas à haute fréquence et un nouveau phénomène de relaxation apparait entre 10^5 et 10^6 Hz.
Paramètres du circuit équivalent à quelques températures


Les paramètres R1, R2 et L1 relatives aux effets des électrodes et des fils conducteurs montrent une évolution habituelle.

La réponse des grains est caractérisée par une capacité de l’ordre de
10^-10 F et une résistance qui décroit lorsque la température augmente signalant la bonne conduction du matériau.


La réponse des joints de grains est habituelle caractérisée
par le paramètre a = 0,98 indiquant
un comportement capacitif du CPE

Résultats obtenues pour CFTS
La spectroscopie d'impédance complexe
Séminaire_LPMS
Dépendance en fréquence de Z’ et Z’’ à 100 K
Merci
Les différentes combinaisons des éléments constituants les composés I -II-IV-VI sont données dans le tableau suivant :
Cette méthode est particulièrement adaptée pour séparer et identifier les différentes réponses relatives aux matériaux étudiés et aux électrodes.
Dans les prochaines années, la consommation de l’énergie que connait le monde ne fera que croître à cause de l'augmentation de la population mondiale et du développement des sociétés.
La production d’électricité par conversion photovoltaïque de l’énergie solaire se
produit au sein des matériaux semi-conducteurs qui ont comme propriété de libérer leurs
porteurs de charge (électrons et trous) après absorption des photons de la lumière solaire.
Des efforts de recherche sont effectués pour le développement des cellules photovoltaïques en couches minces à partir des éléments abondants et non toxiques. C’est le cas de la technologie basée sur les dérivés de Cu2ZnSnS4 et Cu2FeSnS4.
Les matériaux Cu2ZnSnS4 et Cu2FeSnS4 ont des propriétés optiques et électroniques intéressantes : une bande interdite de 1,4 à 1.7 eV et un coefficient d’absorption élevé supérieur à (10^4 cm^-1).
La stannite Cu FeSnS fut découverte en 1977 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth qui a effectué l’analyse chimique des premiers échantillions .
Le terme chalcogéne a été proposé par Ficher en 1932 pour désigner les éléments du groupe
I -II-IV-VI .

On résume dans le Tableau suivant les différentes combinaisons des éléments constituants la famille
de ce chalcogéne
1
2
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4
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Variation de Z''′ en fonction de la fréquence à différentes températures
Variation de Z'′ en fonction de la fréquence à différentes températures
Cette tendance continue jusqu’à une fréquence particulière ( 10^4 Hz) , autour de laquelle Z″ atteint une valeur maximale. Au delà de ce maximum, la fréquence continue à augmenter et, Z′ et Z″ diminuent régulièrement.
fréquence
-Z″
Z′
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19
La variation des coefficients stœchiométriques sur les propriétés électriques de ces matériaux ,et chercher aussi l'effet de la technique effet HALL pour remonter à la concentration des porteurs majoritaires dans les échantillons élaborés. Le calcul de la résistivité, le type de conductivité ainsi que les énergies d’activation dans les échantillons élaborés .
Recuit à l'air
Réponse de la couche
Le spectre d'impédance d'un matériau présente généralement trois demi-cercles ou arcs de cercle :
Aux basses fréquences (10^-2 à 10 Hz) correspond l'arc associé aux phénomènes se produisant aux électrodes
Aux fréquences moyennes (10 à 10^5 Hz) correspond la réponse des joints de grains
aux hautes fréquences (>10^5 Hz) correspond la réponse des grains
Paramètres calculés à partir de ce diagramme
Résistance du circuit équivalent
Capacité du circuit équivalent
Energie d’activation
Conductivité électrique (totale, AC, DC)
Mode de conduction









Circuit équivalent
Photovoltaics & Semiconductor Materials Laboratory
Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis
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2
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4
4
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Conclusions et Perspectives
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