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ΔالشعΒي‎Δالديمقήاطي‎Δالجΰائήي‎ΔالجمϬϮري République Algérienne Démocratique et Populaire العلمي‎ϭالΒحث‎العالي‎التعليم‎Γϭίار Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Thèse présentée en vue de l’obtention du diplôme de Doctorat LMD Spécialité ou option: Physique des matériaux Study and numerical simulation of (a-Si:H/µc-Si:H) heterojunction solar cells. Etude et simulation numérique des cellules solaires à hétérojonction (a-Si:H/µc-Si:H) Présenté par Abdel Fodhil Bouhdjar Devant le jury composé de: Soltani Mohamed Toufik Professeur Université de Biskra Président Meftah Amjad Professeur Université de Biskra Rapporteur Sengouga Nouredine Professeur Université de Biskra Examinateur Meftah Afak Professeur Université de Biskra Examinatrice Dehimi Lakhdar Professeur Université de Batna Examinateur Bouras Fethi MCA Université d’El-Oued Examinateur خيضر‎د‎Δجامع‎ - ‎ Γبسكر الطΒيعΔ‎ϡعϠو‎و‎Δالدقيق‎ϡالعϠو‎ΔكϠي ‎ Γالحيا‎و Université‎Mohamed‎Khider‎– Biskra Faculté‎des‎Sciences‎Exactes‎et Sciences de la Nature et de la Vie Acknowledgement Firstly, I would like to express my sincere gratitude to my advisor Pr. Amjad Meftah for advising me in licence, master and especially in Ph.D. for the continuous support of all my university‘s journey, study and related research. A great thanks for her patience, motivation, and immense knowledge. Her guidance helped me in all the time of research and writing of this thesis. I could not have imagined having a better advisor and mentor for my Ph.D. study. My sincere thanks also go to all LMSM members for all the facilities they offered and the fraternal atmosphere. I would like to thank the University of Biskra for its financial support for the scientific visits to the University of Dundee. Thanks also goes to Professor Steve Reynolds ―lecturer and director of research studies at School of Engineering, physics and mathematics University of Dundee‖ for his generous reception and valuable suggestions. I would also like to thank my committee members, Professor Soltani Mohamed Toufik, Professor Sengouga Nouredine, Professor Meftah Afak, Professor Dehimi Lakhdar, and Professor Bouras Fethi for serving as my committee members. A special thanks to my family: my parents my brothers and sister for trusting and supporting me spiritually throughout writing this thesis, words cannot express how grateful I am to my mother, and father for all of the sacrifices that they‘ve made on my behalf. Your prayer for me was what sustained me thus far. Last but not the least, I would also like to thank all of my friends who supported me in writing, and pushed me to strive towards my goal, specially ―the big four‖ Samo, Datto and Bobby. 1 Dedication I dedicate this work to my father and my mother. I know I will always burn to be The one who seeks so I may find The more I search, the more my need Time was never on my side So you remind me what left this outlaw torn Abstract i Abstract It is known that hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films technology has some advantages compared to that of crystalline silicon (c-Si) such as; the fabrication low cost and the facility of deposition on a wide range of substrates. Moreover, the a-Si:H structure makes the electronic devices designed by it, such as the solar cells, more resistive and have a more considerable life time. The essential limitation compared to c-Si is the photo-degradation effect which reduces the a-Si:H solar cell conversion efficiency. Several technologies are used to improve the conversion efficiency such as the growth of the microcrystalline silicon (ȝc-Si:H) which exhibits a good conductivity and stability against the degradation, and the use of multi-junction design (double or triple junction devices) in order to cover a wide range of the solar spectrum, which enhances the optical absorption and so the conversion efficiency. The combination between a-Si:H and µc-Si:H, known as micromorph(a-Si:H/µc-Si:H) tandem cells, include both advantages of a-SiμH and ȝc- Si:H, they are less subject to light-induced degradation and show better stabilized efficiencies as compared to those attainable from a-Si:H devices. The aim of this work is about the study of a-Si:H and µc-Si:H silicon- based solar cells in different configurations; the single one , and the micromorph tandem cell with two terminal (2T) and four terminal (4T) electrical connections respectively. Using the simulation by Silvaco TCAD , we have extracted the external parameters of the studied solar cells such as; the characteristic current density –voltage (J-V) , the short circuit current density JSC, the open circuit voltage VOC and the conversion efficiency η, and we tried to physically understand and explain the photo-electric behavior of the solar cells, by analyzing the internal parameter profiles such as: the electric field, the charge carrier densities, and the recombination rates. This has been used to optimize the solar cell performance in single and tandem configurations, under various parameter effect such as the photo-degradation, i-layer thickness and mobilities, taking into account the experimental results of other researches. The optimal obtained efficiencies η are 9.07% at initial state (reduced to 7.66% at Abstract ii degraded state) for the a-Si:H single cell, 9.06% for the µc-Si:H single cell, 12.01% at initial state (reduced to 10.40% at degraded state) for the 2T-micromorph tandem cell, and 12.27% at initial state (reduced to 11.39% at degraded state) for the 4T- micromorph device. Key words: a-Si:H, µc-Si:H, solar cells, heterojunction, micromorph, simulation. Résumé Il est connu que la technologie des couches minces en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) présente quelques avantages par rapport à celle en silicium cristallin (c-Si:H) tels que ; le faible cout de fabrication et la facilité de déposition sur une large gamme de substrats. De plus, la structure interne du (a-Si:H) rend les dispositifs électroniques conçus à sa base, telles que les cellules solaires, plus résistifs et ayant une durée de vie assez large. La limitation primordiale du a-Si:H par rapport au (c-Si) est l'effet de photodégradation qui réduit le rendement de la conversion photovoltaïque de la cellule solaire. Plusieurs technologies sont employées pour améliorer le rendement de la conversion telle que l‘élaboration du silicium microcristallin (ȝc-Si:H) qui montre une bonnes conductivité et une stabilité contre la dégradation, l'utilisation de la configuration de multi-jonction (dispositifs doubles ou triples jonction) pour couvrir une large gamme du spectre solaire, ce qui augmente l'absorption optique et ainsi le rendement de conversion. La combinaison entre le a-Si:H et le µc-Si:H, connus sous le nom de cellules solaires tandem micromorph(a-Si:H/µc-Si:H), comportent les deux avantages du a-Si:H et du ȝc-Si:H, ils sont moins sensibles à la dégradation provoquée par la lumière et montrent de meilleurs rendements et une bonne stabilité par rapport aux autres dispositifs à base du a-Si:H. Le but de ce travail est l'étude des cellules solaires à base du a-Si:H et du µc-Si:H dans des configurations différentes; singulière, et la configuration de cellule tandem micromorph à deux terminales (2T) et quatre terminales (4T) respectivement. En utilisant la simulation par Silvaco TCAD, nous avons extrait les paramètres externes des cellules solaires étudiées comme; la caractéristique densité de courant-tension (J-V) , la densité de courant au court-circuit Jsc, la tension au circuit ouvert Voc et le rendement de la conversion η, et nous avons essayé de comprendre et expliquer le comportement photo-électrique de ces cellules solaires, en analysant les profils des Abstract iii paramètres internes comme: le champ électrique, la densité des porteurs de charge, et les taux de recombinaison. Ceci a été utilisé pour optimiser la cellule solaire dans les configurations singulière et tandem, sous l‘effet de plusieurs paramètres tel que la photodégradation, l'épaisseur de la couche intrinsèque (i) et les mobilités des porteurs de charge, en tenant compte des résultats expérimentaux d'autres recherches. Les meilleurs rendements  obtenus sont 9.07% à l'état initial (réduit à 7.66% à l'état dégradé) pour la cellule a-Si:H singulière, 9.06% pour la cellule de µc- Si:H singulière, 12.01% à l'état initial (réduit à 10.40% à l'état dégradé) pour la cellule micromorphe tandem à 2T, et 12.27% à l'état initial (réduit à 11.39% à l'état dégradé) pour la cellule micromorphe tandem à 4T. Mots clés: a-Si:H, ȝc-Si:H, Cellules solaires, hétérojonction, micromorphe, simulation ملخص من المعرϭف أن تكنϭلϭجϳΎ الطبϘΎΕ الرقϳϘٌΔ الخΎصΔ بΎلسϳϠٌϳكٌϭن المϬدرج غϳرٌ المتبϠϭر تمϠϙ العدϳدٌ من المزاϳΎٌ مϘΎرنΔ بتϠϙ الخΎصΔ بΎلسϳϠٌكٌϭن المتبϠϭر مثل؛ انخفΎض تكϠفΔ اإعداد ϭسϬϭلΔ تϭضعه عϠϰ مجمϭعΔ ϭاس عΔ من المسΎند. عاϭة عϠϰ ذلϙ، فΈن البنϳΔ الداخϠϳΔٌ لل a-Si:H تجعل من المركبΎΕ اإلكترϭنϳΔٌ مثل الخاϳΎٌ الشمسϳΔٌ أكثر مϘΎϭمΔ، ϭتعطϳϬٌΎ مدة حϳΎٌة أطϭل . أكثر مسΎϭΉ a-Si:H مϘΎرنΔ معc-Si هϲ تدهϭر بنϳتٌه بسبΏ الضϭء ممΎ ϳ΅ٌدϱ الϰ تنΎقص كفΎءة التحϭϳل الكϬرϭ ؛ϲ ضϭئ عدة تϘنϳΎΕ استعمϠΕ لتحس ϳنٌ مردϭد التحϭϳلٌ الكϬرϭضϭئϲ ؛ مثل تنمϳΔ السϳϠٌكϭن المϬدرج المتبϠϭر جزئϳΎٌ ) ȝc-Si:H ( ϭالذϱ ϳمٌتϠϙ نΎقϠϳΔ جϳدٌة ϭ استϘرار ضد التدهϭر، ϭ استعمΎل الخاϳΎٌ الشمسϳΔ متعددة الϭصاΕ )المتضΎعفΔ اϭ الثاثϳΔ( ϭ ذلϙ لتغطϳΔ اكبر قدر ٌ الشمسϲ، مΎ ϳرٌفع قدر الخϠϳΔٌ من امتصΎص ممكن من الطϳف الضϭء ϭبΎلتΎ لϲ رفع المردϭد. تركϳΏ ϭصϠتϳن من a-Si:H ϭ ȝc-Si:H ) Δأϭ مΎ تعرف بΎلخϠϳΔ المتضΎعفa- SiμH/ȝc-Si:H ( تتضمن عϠϰ محΎسن كل منa-Si:H ϭ ȝc-Si:H ϭ ϭ هϲ أقل حسΎسϳΔ لϠتدهϭر المتϭلد بΎلضϭء تظϬر مردϭد حسن ϭ مستϘر مϘΎرنΔ مع اأجϬزة المصنϭعΔ فϘط من a-Si:H . ϳسٌتند مϭضϭع هذا البحث عϠϰ دراسΔ الخاϳΎٌ الشمسϳΔٌ المتكϭنΔ منa-Si:H ϭ ȝc-Si:H ٌΔϳفϲ تركϳبٌΎΕ مختϠفΔ ؛احΎد الϭصϠΔ ، ثنΎئϳΔ الϭصϠΔ ذاΕ نϬΎϳتϳنٌ ϭ uploads/Litterature/ thesis-tandem-solar-cell-simulation.pdf