Etude des propriétés physiques et photoélectriques de l’hétérojonction n-ZnO/p-Si : élaboration, caractérisation et modélisation

Abstract

Dans ce travail de thèse, nous avons élaboré des films d’oxyde de zinc non dopés (ZnO) et dopés étain (SZO) avec les teneurs 1, 2, …, 6% ; en adoptant la méthode d’élaboration spin coating. Ces films ont été ensuite caractérisés par les techniques DRX, MEB, AFM, UVVisible, Photoluminescence (PL) et effet Hall afin d’optimiser la concentration de dopant Sn et le nombre de cycles de dépôt. Ensuite, nous avons élaboré l’hétérojonction n-SZO/p-Si et étudié les propriétés photoélectriques de cette structure à partir des caractérisations courant-tension I(V). Les films élaborés présentent une structure hexagonale würtzite, de morphologie granulaire avec une taille moyenne de grains et une rugosité de surface qui croissent avec la teneur en dopant Sn. Une haute transmittance optique dans le domaine du visible de l’ordre de 90%, une faible variation du gap optique Eg et de l’indice de réfraction nréf en fonction de la teneur en Sn ont été enregistrées ; les valeurs maximales de Eg et nréf des films SZO sont respectivement de 3,26 eV et 1,89. En outre, la PL nous a révélé la présence des défauts intrinsèques tels que les lacunes en oxygène (VO), les Zn en sites interstitiels (Zni), les lacunes de Zn (VZn) et les défauts d'antisites (OZn). La résistivité électrique des couches minces élaborées avec un cycle de dépôt égal à 10 est fortement dominée par la mobilité des porteurs de charges ; et celle des films élaborés avec un taux de dopage en Sn optimisé à 5% est limitée par la densité des porteurs de charges pour les faibles cycles de dépôt (5, 10 et 15). La structure n-ZnO/p-Si réalisée présente un comportement redresseur, avec un facteur d’idéalité (n) supérieur à 5, un courant de saturation (IS) minimale de 1,74× 10−9 A, une tension de diffusion (Φb) qui croît avec la teneur en Sn de 0,75 à 0,91 V, une résistance série (RS) minimale de 2,08 × 102 Ω et une résistance parallèle (RP) maximale de 1,05× 106 Ω. Sous illumination (100 mW/cm2 ), nous avons enregistré une densité de courant de court-circuit JSC = 4,62x10-5 A/cm2 , une tension de circuit ouvert VOC = 0,385 V et un facteur de forme FF = 31,45 %. La valeur estimée de la densité des états d’interface est de 5x1014 cm-2 en utilisant la simulation numérique 2D par Atlas Silvaco. Egalement, nous avons étudié par simulation l’effet de la densité des porteurs de charges, de l'épaisseur de n-ZnO ainsi que celui de la durée de vie des porteurs minoritaires dans p-Si sur les paramètres photoélectriques de l’hétérojonction.