EP2867807A2 - Procede de simulation d'un dispositif optoelectronique - Google Patents

Procede de simulation d'un dispositif optoelectronique

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Publication number
EP2867807A2
EP2867807A2 EP13732525.4A EP13732525A EP2867807A2 EP 2867807 A2 EP2867807 A2 EP 2867807A2 EP 13732525 A EP13732525 A EP 13732525A EP 2867807 A2 EP2867807 A2 EP 2867807A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
angle
intensity
simulation
reflectivity
calculated
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13732525.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien SINGER
Pierre BRAND
Philippe Thony
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP2867807A2 publication Critical patent/EP2867807A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Definitions

  • the present invention relates to a method of optical and electrical simulation of a device, optoelectronic, implemented by computer, and a corresponding computer program product.
  • an optoelectronic device intended to receive a luminous flux, such as a solar cell for example, it is customary to simulate the optical and electrical behavior of the device, in order to predict its performance.
  • simulation methods have been developed which, based on a model of the optoelectronic device, represent, in particular, the materials constituting the device and their optical and electrical properties, their dimensions and the manufacturing process. the device, to simulate an illumination having a determined spectrum representative of the illumination to which the optoelectronic device will be subjected in operation, and to calculate the optical and electrical characteristics of the device.
  • These methods can in particular be implemented by computer and there is software for making a digital model of the electronic device according to the materials used and the manufacturing method, and to simulate the application of a light beam with characteristics data on said digital model, in order to calculate optical and electrical characteristics of the device.
  • This software is generally part of software TCAD (acronym for the term “Technology Computer Aided Design”).
  • the simulated optical characteristics are typically the reflectivity of an incident beam, as a function of the wavelength, which is expressed as the ratio (in%) between the intensity of the reflected beam and the intensity of the incident beam.
  • the simulated electrical characteristics are generally the external quantum efficiency, designated by the acronym EQE (the external equivalent efficiency word) or the characteristic of the current as a function of the voltage under illumination, denoted l (V) or IV.
  • the light illuminating the device has a defined spectrum, for example the solar spectrum for a photovoltaic cell.
  • the optoelectronic device is modeled as a structure having planar surfaces, including the surface for receiving illumination.
  • the characteristics of the structure are defined according to the materials used, their arrangement and the manufacturing process of the device.
  • the simulations are also performed by considering the normal incident beam on the surface of the structure.
  • Figure 1 schematically illustrates a model conventionally used, being in the form of a structure S having a plane illuminated surface S s .
  • Said surface S s is illuminated by an incident beam intensity I i.
  • the beam I breaks down into an absorbed beam T of intensity t and a reflected beam R of intensity r, which are both normal to the plane surface S s .
  • the optical simulation consists in applying to the structure an incident beam of a determined wavelength, for each wavelength for which it is desired to provide the reflectivity.
  • the illumination conditions forming the input data of the simulation include, for a monochromatic beam, the intensity and the wavelength of said beam and, for a non-monochromatic beam, the intensity as a function of the length of the beam. wave.
  • the result of the optical simulation is the calculation of the reflected part of the beam which, after normalization, provides the reflectivity of the optoelectronic device.
  • the calculated reflectivity can be compared with experimental reflectivity measurements to validate the models and their parameters.
  • FIG. 2 is a logic diagram showing the principle of a conventional simulation of the reflectivity of a solar cell.
  • a structure S constituting a virtual model of the optoelectronic device is defined, this structure being defined according to the design and manufacturing characteristics of the device.
  • Lighting conditions I * are also defined, comprising the properties (wavelength, intensity) of the incident beam.
  • An optical simulation S1 of the structure S is implemented under illumination conditions I * .
  • the reflectivity thus obtained can then be compared with the reflectivity of the device measured experimentally, in order to validate the models and their parameters.
  • Electrical simulation includes a preliminary step of optical simulation consisting of calculating the fraction of the incident beam absorbed by the structure. This absorbed fraction is then converted into an electrical quantity, namely the concentration of excess carriers.
  • This magnitude is itself used in an electrical simulation step to calculate the external quantum efficiency (EQE) or the characteristic of the current as a function of the voltage under illumination (IV).
  • Figure 3 is a logic diagram showing the principle of a conventional electrical simulation of a solar cell.
  • a structure S constituting a virtual model of the optoelectronic device is defined, this structure being defined according to the design and manufacturing characteristics of the device, as well as the illumination conditions I * comprising the properties (wavelength intensity) of the incident beam.
  • the result Ts of this simulation is the part of the incident beam absorbed by the structure.
  • the illuminated surface of the solar cells is not flat but textured, that is to say composed of a plurality of asperities comprising a succession of hollows and reliefs.
  • This texturing is intended to reduce the reflections occurring on the surface of the cell and therefore to increase the yield thereof.
  • the texture is in the form of a plurality of pyramids formed by etching the surface of the cell.
  • pyramids generally have a geometry similar to each other but a random size distributed around a mean value.
  • regular pyramids may be encountered, that is to say all of whose flanks have the same angle with respect to a flat average surface of the device.
  • Figure 4 schematically illustrates this phenomenon of successive reflections on a device D shown in section, and whose illuminated surface S D consists of a plurality of inclined facets.
  • the incident beam I is reflected a first time on a facet (radius R1) and partially absorbed in the device (radius T1), and the reflected ray R1 itself hits an adjacent facet and is reflected on this facet (radius R2 ), while a part is absorbed in the device (radius T2).
  • an incident beam therefore interacts at least twice with the cell before being sent outward.
  • the amount of light transmitted in the device is greater than in the case of a flat surface and the reflectivity is lower.
  • the method of "ray tracing" does not take into account the presence of any antireflection layers, whose thickness is very thin, deposited on the surface of the device.
  • the quantum efficiency is calculated from an analytic formula that is based only on optical considerations but does not take into account the results of the simulation.
  • the FDTD method has the disadvantage of involving very long computation times, because of the number of pyramids to be taken into account (for example, for a model of 1000 ⁇ wide and pyramids whose base has a width of 10 ⁇ , it is necessary to perform the calculations for a hundred pyramids).
  • An object of the invention is therefore to propose a method for simulating the optical and electrical properties of an optoelectronic device that makes it possible to take into account the texturing of the surface of said device.
  • This method must be simple to implement and require calculation times that are not greater than the calculation time required for conventional simulations based on a flat surface of the device.
  • This method must also be able to take into account different texturing geometries, according to the manufacturing method of the device.
  • This method must also allow the simulation of any antireflection layers deposited on the surface of the device.
  • a first light beam inclined with respect to the normal to said flat surface with a first non-zero angle simulating an angle of incidence of the incident beam the texture of the surface of the device, and whose intensity is equal to that of the incident beam, and by
  • textured is meant that the illuminated surface is not smooth but has asperities, that is to say a succession of hollows and reliefs.
  • the texture preferably comprises a plurality of facets arranged to form regular cones.
  • a cone is defined as a volume delimited by a set of half-lines passing through the same point (the vertex) and based on a closed contour (the base).
  • regular cone used in the present text thus covers the cones of revolution, whose base is circular and which are considered as having an infinity of facets, as well as the regular pyramids, whose base is polygonal (for example triangular, square, etc.) and thus have a finite number of facets.
  • the facets are inclined relative to a planar mean surface of the device, which is a flat surface parallel to the other planar surfaces of the device, and parallel to the surface of the model.
  • the average plane surface of the device is a horizontal surface, the normal to the surface being vertical.
  • the incident light beam may be monochromatic (in which case its spectrum consists of a single line at the wavelength considered) or non-monochromatic, having a continuous or discontinuous spectrum over a range of wavelengths.
  • each of said regular cones comprises a plurality (finite or infinite) of facets inclined at an identical angle with respect to a planar mean surface of the device surface; said first angle being equal to the angle between a facet and said flat average surface.
  • said regular cones are regular pyramids.
  • the second angle is defined as the angle of incidence of the reflected portion of the first beam on a facet adjacent to the facet struck by said first beam.
  • the reflectivity of said first beam can be calculated.
  • the reflectivity of said second beam can be calculated.
  • the illumination of said planar surface of the structure is simulated by a third light beam inclined with respect to the normal to said surface with a third angle, said third angle being defined as being angle of incidence of the reflected portion of the second beam on a facet adjacent to the facet struck by said second beam.
  • the illuminated surface of the device comprises an opaque zone.
  • the first beam is modelized as a first half-beam directed towards the opaque zone and a second half-beam symmetrical with respect to the normal to the surface, each half-beam being inclined with respect to said normal with said first non-zero angle and having an intensity equal to half of that of the first beam and the second beam is modeled as a first half-beam directed to the opaque zone and a second half-beam symmetrical with respect to the normal to the surface, each half-beam being inclined with respect to said normal with said second angle and having an intensity equal to half that of the second beam.
  • the reflectivity of an incident beam on the textured surface can then be calculated by taking the product of the reflectivities of the beams with which the illumination of the plane surface has been simulated.
  • the intensity of the second beam can be calculated by multiplying the intensity of the first beam by the reflectivity of said first beam.
  • the intensity of the third beam can be calculated by multiplying the intensity of the second beam by the reflectivity of said second beam.
  • the intensity of the third beam can be weighted by a probability coefficient depending on the angle of the facet.
  • the incident beam is non-monochromatic and the reflectivity of the first, the second and, where appropriate, the third beam for each of a plurality of sampled wavelengths of the spectrum of the incident beam is calculated. and the reflectivity of said incident beam is calculated by performing the product of the reflectivities of said beams for each of said wavelengths.
  • it is possible to calculate an intensity spectrum of the second beam by multiplying the intensity of the first beam by the reflectivity of said first beam for each of said wavelengths.
  • the concentration of excess carriers in the structure under the effect of said illumination is deduced from said absorbed intensity.
  • the external quantum efficiency and / or the current characteristic as a function of the voltage of the optoelectronic device are calculated.
  • the part of the first, the second and / or, where appropriate, the third beam transmitted in the structure is calculated during the simulation, and the inclination of said beam is corrected. part transmitted by deviating.
  • the invention also relates to a computer program product comprising a set of instructions which, once loaded on a computer, allow the implementation of the method as described above.
  • Said product can be on any computer medium, such as a memory or a CD-ROM.
  • FIG. 1 is a diagram of a known type of model used to simulate the optical and electrical properties of an optoelectronic device
  • FIG. 2 is a logic diagram showing the principle of a conventional simulation of the reflectivity of a solar cell
  • FIG. 3 is a logic diagram showing the principle of a conventional electrical simulation of a solar cell
  • FIG. 4 schematically illustrates the effect of the texturing of the surface on the interaction between an incident beam and the optoelectronic device
  • FIG. 5 schematically illustrates the simulation principle according to the invention
  • FIG. 6 is a sectional diagram of an optoelectronic device that can be simulated in accordance with the invention.
  • FIG. 7 is a logic diagram showing the principle of an optical simulation according to the invention
  • FIG. 8 is a logic diagram showing the principle of an electrical simulation according to the invention
  • FIGS. 9A and 9B respectively show the reflectivity curves as a function of the wavelength obtained with a method according to the prior art that does not take into account the texture of the illuminated surface and with the method according to the invention
  • FIGS. 10A and 10B respectively show the external quantum efficiency (EQE) curves as a function of the wavelength obtained with a method according to the prior art that does not take into account the texture of the illuminated surface and with the method according to FIG. 'invention,
  • FIG. 12 is a sectional diagram of a variant of an optoelectronic device that can be simulated according to the invention, comprising an opaque zone on the textured surface,
  • FIG. 13 schematically illustrates a variant of the simulation principle according to the invention, in which the textured surface of the device is partly covered with an opaque zone.
  • FIG. 5 illustrates the general principle of optical and electrical simulation of an optoelectronic device whose surface to be illuminated is textured.
  • Said simulation is implemented by computer.
  • the device is modeled in the form of a structure S whose illuminated surface is modeled by a plane surface S s .
  • the incident light beam is not modeled by a single normal beam at the surface, but by two incident beams and l 2 inclined relative to the normal N at the surface. S, whose angles of incidence are chosen according to the texture of the surface of the device.
  • a first light beam is inclined relative to the normal N to said surface with a first angle ⁇ non-zero.
  • the first beam thus simulates an angle of incidence of the incident beam on the texture of the surface of the device, and its intensity is equal to that of the incident beam I.
  • a second light beam l 2 is inclined with respect to the normal N to the surface S with a second angle ⁇ 2 , simulating an angle of incidence of the reflected part of the incident beam on the texture of the surface of the device.
  • the device D has, as illustrated in FIG. 6, an illuminated surface S D whose texture consists of an alternation of plane facets F inclined with respect to a flat average surface Sm.
  • said facets are arranged relative to each other to form regular cones.
  • Said cones have a regular shape, that is to say that each of the facets constituting their flanks has an identical angle with respect to their base, considered to be in a horizontal plane, and this angle is identical for all the cones.
  • the cones may have different sizes distributed randomly on the surface S D.
  • the cones obtained are generally pyramids with a square base.
  • the technique usually used to perform the surface texturing forms regular pyramids with a square base, whose minimum width of the base is preferably greater than 1 ⁇ .
  • the invention is not limited to this particular texture but, as indicated above, applies to any texture consisting of regular cones.
  • the angle ⁇ 1 of the beam is defined as being equal to the angle between a facet of the regular cone and a horizontal plane coinciding with the base of said cone.
  • the beam 1 2 it is considered to correspond to the part of the beam reflected on a facet of a cone and arriving on a facet of an adjacent cone.
  • the beams and l 2 also have the same wavelengths as the incident beam whose illumination is desired to simulate.
  • the beams 1 and 2 will have the same wavelength as this one.
  • the beams and l 2 will have the same wavelengths as this one.
  • the respective intensities of each of the said wavelengths for the beams and l 2 are not necessarily equal to that of the incident beam.
  • two optical simulations are successively carried out under different lighting conditions, that is to say respectively with the beam and the beam 1 2 with their respective angles of incidence.
  • the reflectivity for the corresponding wavelength is simulated.
  • the reflectivity for a sample of wavelengths of said spectrum is calculated.
  • the logic diagram of FIG. 7 illustrates the principle of this optical simulation.
  • the S-structure is used with a planar surface that models the optoelectronic device whose surface is textured.
  • a first optical simulation SOI consists in illuminating the surface S s of the structure in the first illumination conditions 11 * , namely those of the first beam.
  • a second optical simulation S02 consists in illuminating the surface S s of the structure in the second illumination conditions 12 * , namely those of the second beam 1 2 .
  • the result Rs2 of this second simulation is the reflectivity of the beam reflected by a first facet for the wave length (s) considered (s).
  • the reflectivity being a normalized quantity, it is sufficient to work for this simulation with relative intensities and it is not necessary, in this context, to calculate the intensity of the part of the incident beam transmitted through the surface of the structure.
  • the final reflectivity Rn of the incident beam on the textured surface is obtained by performing the product of the two reflectivities simulated above (calculation step C).
  • the product of the reflectivities obtained by the first and the second simulation thus constitutes a relevant representation of the reflectivity of the textured surface illuminated by a normal incident beam.
  • the transmitted light is the sum of the part transmitted by the incident beam during its first interaction with a facet and the part transmitted by the beam once reflected during its interaction with a second facet.
  • the simulation is thus carried out on a structure having a plane surface on which the first beam inclined at an angle ⁇ 1 (illumination conditions 11 * ) is made with respect to the normal and the second beam 1 2 inclined by a angle a 2 (lighting conditions 12 * ).
  • the intensity of this second beam is calculated by the intensity and reflectivity of the first beam.
  • the structure S is used with a plane surface which models the optoelectronic device whose surface is textured.
  • a first SOI optical simulation aims to build the second beam as described above.
  • This first SOI simulation is performed in the first illumination conditions 11 * and consists in simulating the reflectivity Rs1 of the first incident beam.
  • the intensity of the second beam l 2 is then calculated (step C) for each wavelength (as indicated above, a single wavelength is considered if the monochromatic beam, a sampling is considered if the beam is non monochromatic. ) by multiplying the intensity of the first beam by its reflectivity Rs1.
  • a second optical simulation S02 is then carried out, in which the illumination of the structure S is simulated simultaneously with the first illumination conditions 11 * (beam with the intensity of the real beam and the angle of incidence ⁇ - ⁇ ). and the second illumination conditions 12 * (beam 1 2 with the intensity calculated in step C and the angle of incidence a 2 ).
  • the result J of the electrical simulation SE1 is either the quantum efficiency (EQE) or the characteristic of the current as a function of the voltage under illumination (IV).
  • the result obtained is more precise since it takes into account the concentration of excess carriers which is different, because of the texturing of the surface, that of a device having a flat surface, and that is itself determined from the two optical simulations SOI and SO2 that take into account the texture of the surface.
  • FIGS. 9A and 9B thus present the comparative results of the reflectivity Rn as a function of the wavelength ⁇ obtained by simulation (SIMUL curve) and experimentally (EXP curve), for an AM1.5G solar spectrum and an optoelectronic device consisting of a solar cell whose surface is textured.
  • said textured surface consists of regular pyramids with a square base and whose flank angle with respect to the base is 54.74 °; the average width of one side of the base being 5 ⁇ .
  • the optical simulation was carried out according to a method of the prior art, by modeling the cell in the form of a structure having a flat surface and with a normal illumination at the surface.
  • the optical simulation was performed in accordance with the invention, by modeling the cell in the form of a structure having a flat surface and with the illumination conditions 11 * , 12 * as defined above.
  • FIGS. 10A and 10B for their part show the comparative results of the quantum efficiency EQE as a function of the wavelength ⁇ obtained by simulation (SIMUL curve) and experimentally (EXP curve), for a solar spectrum AM1.5G and a optoelectronic device identical to that forming the subject of FIGS. 9A and 9B.
  • the electrical simulation was carried out according to a method of the prior art, by modeling the cell in the form of a structure having a flat surface and with a normal illumination at the surface.
  • FIG. 10B the electrical simulation was carried out in accordance with the invention, modeling the cell in the form of a structure having a flat surface and with the illumination conditions 11 * , 12 * as defined above.
  • FIGS. 11A and 11B present the comparative results of the current density I as a function of the voltage V obtained by simulation (SIMUL curve) and experimentally (EXP curve), for an AM1.5G solar spectrum and an optoelectronic device identical to that forming the subject of FIGS. 9A, 9B, 10A and 10B.
  • the electrical simulation was carried out according to a method of the prior art, by modeling the cell in the form of a structure having a flat surface and with a normal illumination at the surface.
  • FIG. 11B the electrical simulation was carried out in accordance with the invention, by modeling the cell in the form of a structure having a flat surface and with the illumination conditions 11 * , 12 * as defined above. high.
  • optical and electrical simulation method which has just been described can be used for different purposes.
  • this optimization may comprise the optimization of the thicknesses of the anti-reflection layers for a given material, or the selection of a material intended to form one of these layers according to its optical properties.
  • This method can also make it possible to evaluate the effect of a surface texturing on the optical and electrical behavior of a non-textured optoelectronic device, or conversely the evaluation of the performance of a textured device if it is removed. texturing.
  • the optoelectronic device D has, on its illuminated textured surface S D , an opaque zone O partially covering said surface.
  • Said opaque zone may be, for example, an electrical contact deposited on the surface of the device.
  • the incident light is either totally directed to this opaque region - leading to overestimate the effect of light in this region), wholly directed outside this area - leading to an underestimation of the effect of light in the region below the opaque zone.
  • a variant of the method described above comprises modeling the first beam in the form of a first half-beam read towards the opaque zone and a second half-beam 2 symmetrical relative to to the normal N at the surface S s (see Figure 13).
  • Each half-beam read, 2 is inclined relative to said normal N with the angle ⁇ defined above and has an intensity equal to half that of the first beam h.
  • the second beam 1 2 is modeled as a first half-beam 1 2 directed towards the opaque zone and a second half-beam 22 symmetrical with respect to the normal N, each half beam l 2 i, l 22 being inclined relative to said normal N with the angle a 2 defined above and having an intensity equal to half that of the second beam l 2 .
  • a variant of the simulation method makes it possible to take this third reflection into account in order to improve the accuracy of the results.
  • the rays reflected twice on adjacent facets have a non-zero probability but not equal to 1, which depends on the angle of the facets, to hit a third facet.
  • a variant of the simulation method makes it possible to take into account this possible third reflection, with the corresponding probability, to improve the accuracy of the results.
  • the rays are artificially deflected after their transmission in the device, in order to give them the real angle with respect to the geometry of the device.
  • This actual angle is calculated as a function of the angle of the facets of the cones relative to the average surface S m of the device.
  • This deviation can be implemented by different numerical methods within the reach of those skilled in the art, and can be programmed at any distance from the surface.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de simulation optique et électrique d'un dispositif optoélectronique (D) dont la surface (SD) destinée à être éclairée présente une texture formée de cônes réguliers, sous l'effet de l'éclairement de ladite surface (SD) par un faisceau lumineux incident (I) présentant un spectre déterminé d'intensité en fonction de la longueur d'onde, ledit procédé étant mis en oeuvre par ordinateur et caractérisé en ce qu'il comprend : - la modélisation dudit dispositif (D) sous la forme d'une structure (S) dont la surface éclairée est modélisée par une surface (SS) plane, - la modélisation dudit faisceau lumineux incident (I) par : * un premier faisceau lumineux (l1) incliné par rapport à la normale (N) à ladite surface avec un premier angle (alpha1) non nul, simulant un angle d'incidence du faisceau incident (I) sur la texture de la surface (SD) du dispositif, et dont l'intensité est égale à celle du faisceau incident (I), et par * un second faisceau lumineux (l2) incliné par rapport à la normale (N) à ladite surface avec un second angle (alpha2), simulant un angle d'incidence de la partie réfléchie du faisceau incident (I) sur la texture de la surface (SD) du dispositif, - la simulation de l'éclairement de ladite surface (SS) par lesdits premier et second faisceaux (l1, l2). L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur correspondant.

Description

PROCEDE DE SIMULATION D'UN DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de simulation optique et électrique d'un dispositif optoélectronique, mis en œuvre par ordinateur, ainsi qu'un produit programme d'ordinateur correspondant.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Lors de la conception d'un dispositif optoélectronique destiné à recevoir un flux lumineux, tel qu'une cellule solaire par exemple, il est usuel de simuler le comportement optique et électrique du dispositif, afin de prévoir ses performances.
A cet effet, des méthodes de simulation ont été développées, qui consistent, à partir d'un modèle du dispositif optoélectronique, représentatif notamment des matériaux constituant le dispositif et de leurs propriétés optiques et électriques, de leurs dimensions, ainsi que du procédé de fabrication du dispositif, à simuler un éclairement présentant un spectre déterminé représentatif de l'éclairement auquel sera soumis le dispositif optoélectronique en fonctionnement, et à calculer des caractéristiques optiques et électriques du dispositif.
Ces méthodes peuvent en particulier être mises en œuvre par ordinateur et il existe des logiciels permettant de réaliser un modèle numérique du dispositif électronique en fonction des matériaux employés et du procédé de fabrication, et de simuler l'application d'un faisceau lumineux présentant des caractéristiques données sur ledit modèle numérique, afin de calculer des caractéristiques optiques et électriques du dispositif.
Ces logiciels font partie d'une manière générale des logiciels de TCAD (acronyme du terme anglo-saxon « Technology Computer Aided Design »).
Les caractéristiques optiques simulées sont typiquement la réflectivité d'un faisceau incident, en fonction de la longueur d'onde, qui s'exprime comme le rapport (en %) entre l'intensité du faisceau réfléchi et l'intensité du faisceau incident.
Les caractéristiques électriques simulées sont généralement le rendement quantique externe, désigné par l'acronyme EQE (du terme anglo-saxon « External Quantum Efficiency ») ou la caractéristique du courant en fonction de la tension sous illumination, notée l(V) ou IV.
Pour ces simulations, la lumière éclairant le dispositif présente un spectre défini, par exemple le spectre solaire pour une cellule photovoltaïque.
Le dispositif optoélectronique est modélisé sous la forme d'une structure présentant des surfaces planes, y compris la surface destinée à recevoir l'éclairement. Les caractéristiques de la structure sont définies en fonction des matériaux employés, de leur agencement et du procédé de fabrication du dispositif.
Dans la mesure où les mesures expérimentales sont effectuées en laboratoire selon une incidence normale du faisceau lumineux, les simulations sont elles aussi effectuées en considérant le faisceau incident normal à la surface de la structure.
La figure 1 illustre de manière schématique un modèle classiquement employé, se présentant sous la forme d'une structure S présentant une surface Ss éclairée plane.
Ladite surface Ss est éclairée par un faisceau incident I d'intensité i.
En arrivant à la surface Ss, le faisceau I se décompose en un faisceau absorbé T d'intensité t et un faisceau réfléchi R d'intensité r, qui sont tous deux normaux à la surface plane Ss.
Pour calculer la réflectivité, la simulation optique consiste à appliquer à la structure un faisceau incident d'une longueur d'onde déterminée, pour chaque longueur d'onde pour laquelle on souhaite prévoir la réflectivité.
Les conditions d'éclairement formant les données d'entrée de la simulation comprennent, pour un faisceau monochromatique, l'intensité et la longueur d'onde dudit faisceau et, pour un faisceau non monochromatique, l'intensité en fonction de la longueur d'onde.
Le résultat de la simulation optique est le calcul de la partie réfléchie du faisceau qui, après normalisation, fournit la réflectivité du dispositif optoélectronique.
La réflectivité ainsi calculée peut être comparée aux mesures expérimentales de réflectivité afin de valider les modèles et leurs paramètres.
La figure 2 est un logigramme présentant le principe d'une simulation classique de la réflectivité d'une cellule solaire.
On définit tout d'abord une structure S constituant un modèle virtuel du dispositif optoélectronique, cette structure étant définie en fonction des caractéristiques de conception et de fabrication du dispositif.
On définit par ailleurs des conditions d'éclairement I* comprenant les propriétés (longueur d'onde, intensité) du faisceau incident.
On met en œuvre une simulation optique S1 de la structure S dans conditions d'éclairement I*.
Le résultat Rs de cette simulation est la partie réfléchie du faisceau incident qui, après normalisation, fournit la réflectivité Rn.
La réflectivité ainsi obtenue peut ensuite être comparée à la réflectivité du dispositif mesurée expérimentalement, afin de valider les modèles et leurs paramètres.
La simulation électrique inclut quant à elle une étape préalable de simulation optique consistant à calculer la fraction du faisceau incident absorbée par la structure. Cette fraction absorbée est ensuite convertie en une grandeur électrique, à savoir la concentration de porteurs en excès.
Cette grandeur est elle-même utilisée dans une étape de simulation électrique visant à calculer le rendement quantique externe (EQE) ou la caractéristique du courant en fonction de la tension sous illumination (IV).
La figure 3 est un logigramme présentant le principe d'une simulation électrique classique d'une cellule solaire.
On définit tout d'abord une structure S constituant un modèle virtuel du dispositif optoélectronique, cette structure étant définie en fonction des caractéristiques de conception et de fabrication du dispositif, ainsi que des conditions d'éclairement I* comprenant les propriétés (longueur d'onde, intensité) du faisceau incident.
Si la simulation optique décrite plus haut a déjà été mise en œuvre, on peut naturellement réutiliser la structure S et les conditions d'éclairement I* employées pour cette simulation.
On met tout d'abord en œuvre une simulation optique S2 de la structure S dans conditions d'éclairement I*.
Le résultat Ts de cette simulation est la partie du faisceau incident absorbée par la structure.
Après conversion de cette partie absorbée en la concentration de porteurs en excès dans la structure, on met en œuvre une simulation électrique S3 dont le résultat J est soit le rendement quantique externe soit la caractéristique du courant en fonction de la tension sous illumination.
Or, la surface éclairée des cellules solaires n'est pas plane mais texturée, c'est-à- dire constituée d'une pluralité d'aspérités comprenant une succession de creux et de reliefs.
Cette texturation a pour but de diminuer les réflexions se produisant à la surface de la cellule et par conséquent d'augmenter le rendement de celle-ci.
En général, la texture se présente sous la forme d'une pluralité de pyramides formées par gravure de la surface de la cellule.
Ces pyramides ont généralement une géométrie similaire les unes par rapport aux autres mais une taille aléatoire répartie autour d'une valeur moyenne.
Dans certains cas, on peut rencontrer des pyramides régulières, c'est-à-dire dont tous les flancs présentent le même angle par rapport à une surface moyenne plane du dispositif.
II est également possible de rencontrer des pyramides inversées, c'est-à-dire dont le sommet pointe vers l'intérieur du dispositif. Il résulte de cette texturation que lorsqu'un faisceau incident normal à la surface moyenne de la structure frappe une de ces pyramides, sa partie réfléchie est susceptible de frapper une autre pyramide et subir une nouvelle réflexion.
La figure 4 illustre de manière schématique ce phénomène de réflexions successives sur un dispositif D représenté en coupe, et dont la surface éclairée SD est constituée d'une pluralité de facettes inclinées.
Le faisceau incident I est réfléchi une première fois sur une facette (rayon R1 ) et absorbé en partie dans le dispositif (rayon T1 ), et le rayon réfléchi R1 vient lui-même frapper une facette adjacente et est réfléchi sur cette facette (rayon R2), tandis qu'une partie est absorbée dans le dispositif (rayon T2).
D'une manière générale, un faisceau incident interagit donc au moins deux fois avec la cellule avant d'être renvoyé vers l'extérieur.
Par conséquent, la quantité de lumière transmise dans le dispositif est plus importante que dans le cas d'une surface plane et la réflectivité est donc plus faible.
Dans la mesure où la texture de la surface du dispositif influe sur les caractéristiques optiques et électriques de celui-ci, il est donc souhaitable que la simulation tienne compte de cette complexité supplémentaire.
Cependant, la simulation de l'effet des pyramides n'est pas réalisable avec les logiciels de simulation existants car l'aspect bidimensionnel des pyramides ne peut être pris en compte par la méthode de transfert des matrices (TMM, acronyme du terme anglo- saxon Transfer Matrix Method) qui est habituellement utilisée dans les simulations optiques.
A cet égard, les travaux de S.C. Baker-Finch et K.R. Mclntosh, « Reflexion of normally incident light from silicon solar cells with pyramidal texture », Progr. Photovolt : Res. Appl. 201 1 , 19, pp 406-416, proposent une simulation optique de la réflectivité d'une cellule solaire en silicium dont la surface texturée est couverte de pyramides utilisant la méthode dite de « ray tracing » qui inclut le tracé géométrique du chemin d'un rayon réfléchi par une ou plusieurs facettes des pyramides.
Cependant, si cette méthode permet de calculer la réflectivité de la structure, elle ne s'intéresse pas à la lumière qui pénètre dans le silicium et ne fournit donc aucune information sur l'absorption de la lumière par la cellule.
Il n'est donc pas possible de connaître les effets de la texturation sur les caractéristiques électriques - et donc sur le fonctionnement - de la cellule.
Par ailleurs, la méthode de "ray tracing" ne permet pas de prendre en compte la présence d'éventuelles couches antireflet, dont l'épaisseur est très fine, déposée à la surface du dispositif.
Or, de telles couches influent également sur la réflectivité du dispositif. R. Dewan, I. Vasilev, V. Jovanov et D. Knipp, « Optical enhancement and losses of pyramid textured thin-film silicon solar cells », J. Appl. Phys. 1 10, 013101 (201 1 ), proposent quant à eux de modéliser une cellule solaire par une structure présentant une surface texture formée de pyramides régulières et d'effectuer une simulation optique employant la méthode dite FDTD (acronyme du terme anglo-saxon Finite Différence Time Domain).
Cependant, le rendement quantique est calculé à partir d'une formule analytique qui n'est basée que sur des considérations optiques mais ne prend pas en compte les résultats de la simulation.
Par conséquent, il ne s'agit pas à proprement parler d'une simulation des propriétés électriques de la cellule mais d'une estimation, dont la précision peut être insuffisante.
En outre, la méthode FDTD présente l'inconvénient d'impliquer des temps de calcul très longs, en raison du nombre de pyramides à prendre en compte (par exemple, pour un modèle de 1000 μηη de large et des pyramides dont la base présente une largeur de 10 μηι, il faut effectuer les calculs pour une centaine de pyramides).
Un but de l'invention est donc de proposer un procédé de simulation des propriétés optiques et électriques d'un dispositif optoélectronique qui permette de prendre en compte la texturation de la surface dudit dispositif.
Ce procédé doit être simple à mettre en œuvre et nécessiter des temps de calcul qui ne soient pas supérieurs aux temps de calcul nécessaires pour les simulations classiques basées sur une surface plane du dispositif.
Ce procédé doit également pouvoir prendre en compte différentes géométries de texturation, selon le procédé de fabrication du dispositif.
Ce procédé doit également permettre la simulation d'éventuelles couches antireflet déposées sur la surface du dispositif.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de simulation optique et électrique d'un dispositif optoélectronique dont la surface destinée à être éclairée présente une texture formée de cônes réguliers, sous l'effet de l'éclairement de ladite surface par un faisceau lumineux incident présentant un spectre déterminé d'intensité en fonction de la longueur d'onde, ledit procédé étant mis en œuvre par ordinateur et caractérisé en ce qu'il comprend :
- la modélisation dudit dispositif sous la forme d'une structure dont la surface éclairée est modélisée par une surface plane,
- la modélisation dudit faisceau lumineux incident par :
* un premier faisceau lumineux incliné par rapport à la normale à ladite surface plane avec un premier angle non nul, simulant un angle d'incidence du faisceau incident sur la texture de la surface du dispositif, et dont l'intensité est égale à celle du faisceau incident, et par
* un second faisceau lumineux incliné par rapport à la normale à ladite surface plane avec un second angle, simulant un angle d'incidence de la partie réfléchie du faisceau incident sur la texture de la surface du dispositif,
- la simulation de l'éclairement de ladite surface plane par lesdits premier et second faisceaux.
Par « texturée », on entend que la surface éclairée n'est pas lisse mais présente des aspérités, c'est-à-dire une succession de creux et de reliefs.
En raison du procédé de fabrication des cellules solaires, la texture comprend de préférence une pluralité de facettes agencées de sorte à former des cônes réguliers.
On rappelle qu'un cône est défini comme étant un volume délimité par un ensemble de demi-droites passant par un même point (le sommet) et s'appuyant sur un contour fermé (la base).
Par « régulier », on entend le fait que pour un même cône, toutes les facettes sont inclinées du même angle par rapport à la base, ledit angle étant le même pour tous les cônes constituant la surface texturée. Ceci n'exclut pas que les différents cônes définissant ladite surface puissent présenter des dimensions variables (par exemple, des bases de largeurs différentes).
Le terme « cône régulier » employé dans le présent texte couvre donc les cônes de révolution, dont la base est circulaire et qui sont considérés comme possédant une infinité de facettes, ainsi que les pyramides régulières, dont la base est polygonale (par exemple triangulaire, carrée, etc.) et qui présentent donc un nombre fini de facettes.
Les facettes sont inclinées par rapport à une surface moyenne plane du dispositif, qui est une surface plane parallèle aux autres surfaces planes du dispositif, et parallèle à la surface du modèle. Sur les figures en annexe, la surface moyenne plane du dispositif est une surface horizontale, la normale à la surface étant verticale.
Le faisceau lumineux incident peut être monochromatique (auquel cas son spectre est constitué d'une unique raie à la longueur d'onde considérée) ou non monochromatique, présentant un spectre continu ou discontinu sur une gamme de longueurs d'onde.
De manière préférée, chacun desdits cônes réguliers comprend une pluralité (finie ou infinie) de facettes inclinées d'un angle identique par rapport à une surface moyenne plane de la surface du dispositif ; ledit premier angle étant égal à l'angle entre une facette et ladite surface moyenne plane.
Selon un mode de réalisation, lesdits cônes réguliers sont des pyramides régulières. De manière avantageuse, le second angle est défini comme étant l'angle d'incidence de la partie réfléchie du premier faisceau sur une facette adjacente à la facette frappée par ledit premier faisceau.
A partir de la simulation de l'éclairement de la surface plane par ledit premier faisceau lumineux, on peut calculer la réflectivité dudit premier faisceau.
Par ailleurs, à partir de la simulation de l'éclairement de la surface plane par le second faisceau lumineux, on peut calculer la réflectivité dudit second faisceau.
Selon une forme d'exécution de l'invention, on simule l'éclairement de ladite surface plane de la structure par un troisième faisceau lumineux incliné par rapport à la normale à ladite surface avec un troisième angle, ledit troisième angle étant défini comme étant l'angle d'incidence de la partie réfléchie du second faisceau sur une facette adjacente à la facette frappée par ledit second faisceau.
Selon un mode de réalisation, la surface éclairée du dispositif comprend une zone opaque.
Dans ce cas, pour la simulation, on modélise le premier faisceau sous la forme d'un premier demi-faisceau dirigé vers la zone opaque et d'un second demi-faisceau symétrique par rapport à la normale à la surface, chaque demi-faisceau étant incliné par rapport à ladite normale avec ledit premier angle non nul et présentant une intensité égale à la moitié de celle du premier faisceau et l'on modélise le second faisceau sous la forme d'un premier demi-faisceau dirigé vers la zone opaque et d'un second demi-faisceau symétrique par rapport à la normale à la surface, chaque demi-faisceau étant incliné par rapport à ladite normale avec ledit second angle et présentant une intensité égale à la moitié de celle du second faisceau.
On peut alors calculer la réflectivité d'un faisceau incident sur la surface texturée en effectuant le produit des réflectivités des faisceaux avec lesquels l'éclairement de la surface plane a été simulé.
D'autre part, on peut calculer l'intensité du second faisceau en multipliant l'intensité du premier faisceau par la réflectivité dudit premier faisceau.
De même, on peut calculer l'intensité du troisième faisceau en multipliant l'intensité du second faisceau par la réflectivité dudit second faisceau.
De manière avantageuse, on peut pondérer l'intensité du troisième faisceau par un coefficient de probabilité dépendant de l'angle de la facette.
Selon un mode de réalisation, le faisceau incident est non monochromatique et l'on calcule la réflectivité du premier, du second et, le cas échéant, du troisième faisceau pour chacune d'une pluralité de longueurs d'onde échantillonnées du spectre dudit faisceau incident, et l'on calcule la réflectivité dudit faisceau incident en effectuant le produit des réflectivités desdits faisceaux pour chacune desdites longueurs d'onde. On peut d'autre part calculer un spectre d'intensité du second faisceau en multipliant l'intensité du premier faisceau par la réflectivité dudit premier faisceau pour chacune desdites longueurs d'onde.
On peut en outre simuler l'éclairement de la surface plane de la structure simultanément par le premier, le second et, le cas échéant, le troisième faisceau et calculer l'intensité absorbée par ladite structure.
De manière avantageuse, on déduit de ladite intensité absorbée la concentration de porteurs en excès dans la structure sous l'effet dudit éclairement.
A partir de ladite concentration de porteurs en excès, on calcule le rendement quantique externe et/ou la caractéristique du courant en fonction de la tension du dispositif optoélectronique.
Selon une forme d'exécution de l'invention, on calcule au cours de la simulation la partie du premier, du deuxième et/ou, le cas échéant, du troisième faisceau transmise dans la structure et l'on corrige l'inclinaison de ladite partie transmise en la déviant.
L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur comportant un ensemble d'instructions qui, une fois chargées sur un ordinateur, permettent la mise en œuvre du procédé tel que décrit précédemment.
Ledit produit peut être sur tout support informatique, comme par exemple une mémoire ou un CD-ROM.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est un schéma d'un modèle de type connu utilisé pour simuler les propriétés optiques et électriques d'un dispositif optoélectronique,
la figure 2 est un logigramme présentant le principe d'une simulation classique de la réflectivité d'une cellule solaire,
la figure 3 est un logigramme présentant le principe d'une simulation électrique classique d'une cellule solaire,
- la figure 4 illustre de manière schématique l'effet de la texturation de la surface sur l'interaction entre un faisceau incident et le dispositif optoélectronique,
la figure 5 illustre de manière schématique le principe de simulation selon l'invention,
la figure 6 est un schéma en coupe d'un dispositif optoélectronique susceptible de faire l'objet d'une simulation conformément à l'invention,
la figure 7 est un logigramme présentant le principe d'une simulation optique selon l'invention, la figure 8 est un logigramme présentant le principe d'une simulation électrique selon l'invention,
les figures 9A et 9B présentent respectivement les courbes de réflectivité en fonction de la longueur d'onde obtenues avec un procédé selon l'art antérieur ne tenant pas compte de la texture de la surface éclairée et avec le procédé selon l'invention,
les figures 10A et 10B présentent respectivement les courbes de rendement quantique externe (EQE) en fonction de la longueur d'onde obtenues avec un procédé selon l'art antérieur ne tenant pas compte de la texture de la surface éclairée et avec le procédé selon l'invention,
- les figures 1 1A et 1 1 B présentent respectivement les courbes de caractéristique du courant en fonction de la tension sous illumination (IV) obtenues avec un procédé selon l'art antérieur ne tenant pas compte de la texture de la surface éclairée et avec le procédé selon l'invention,
la figure 12 est un schéma en coupe d'une variante d'un dispositif optoélectronique susceptible de faire l'objet d'une simulation conformément à l'invention, comprenant une zone opaque sur la surface texturée,
la figure 13 illustre de manière schématique une variante du principe de simulation selon l'invention, dans laquelle la surface texturée du dispositif est en partie recouverte d'une zone opaque.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 5 illustre le principe général de simulation optique et électrique d'un dispositif optoélectronique dont la surface destinée à être éclairée est texturée.
Ladite simulation est mise en œuvre par ordinateur.
On modélise ledit dispositif sous la forme d'une structure S dont la surface éclairée est modélisée par une surface Ss plane.
Pour tenir compte des différentes réflexions pouvant intervenir sur la surface du dispositif réel, on ne modélise pas le faisceau lumineux incident par un unique faisceau normal à la surface, mais par deux faisceaux incidents et l2 inclinés par rapport à la normale N à la surface S, dont les angles d'incidence sont choisis en fonction de la texture de la surface du dispositif.
Plus précisément, un premier faisceau lumineux est incliné par rapport à la normale N à ladite surface avec un premier angle ai non nul.
Le premier faisceau simule ainsi un angle d'incidence du faisceau incident sur la texture de la surface du dispositif, et son intensité est égale à celle du faisceau incident I.
D'autre part, un second faisceau lumineux l2 est incliné par rapport à la normale N à la surface S avec un second angle a2, simulant un angle d'incidence de la partie réfléchie du faisceau incident sur la texture de la surface du dispositif. Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, le dispositif D présente, comme illustré à la figure 6, une surface éclairée SD dont la texture est constituée d'une alternance de facettes F planes inclinées par rapport à une surface moyenne plane Sm.
De préférence, lesdites facettes sont agencées les unes par rapport aux autres pour former des cônes réguliers.
Lesdits cônes présentent une forme régulière, c'est-à-dire que chacune des facettes constituant leurs flancs présente un angle identique par rapport à leur base, considérée comme étant dans un plan horizontal, et cet angle est identique pour tous les cônes.
Par ailleurs, les cônes peuvent présenter des tailles différentes, distribuées aléatoirement sur la surface SD.
Avec la technique usuellement utilisée pour réaliser la texturation de surface d'une cellule photovoltaïque, les cônes obtenus sont en général des pyramides à base carrée.
D'une manière générale, lorsque le dispositif optoélectronique est une cellule photovoltaïque, la technique usuellement utilisée pour réaliser la texturation de surface forme des pyramides régulières à base carrée, dont la largeur minimale de la base est de préférence supérieure à 1 μηι.
Néanmoins, l'invention n'est pas limitée à cette texture particulière mais, comme indiqué plus haut, s'applique à toute texture constituée de cônes réguliers.
Revenant à la définition des angles d'incidence des premier et second faisceaux lumineux, on définit l'angle ai du faisceau comme étant égal à l'angle entre une facette du cône régulier et un plan horizontal coïncidant avec la base dudit cône.
En ce qui concerne le faisceau l2, celui-ci est considéré comme correspondant à la partie du faisceau réfléchie sur une facette d'un cône et arrivant sur une facette d'un cône adjacent.
Dans le cas de cônes réguliers, l'angle a2 est donc défini comme étant égal à :
Les faisceaux et l2 présentent par ailleurs les mêmes longueurs d'onde que le faisceau incident dont on souhaite simuler l'éclairement.
Ainsi, si le faisceau incident est monochromatique, les faisceaux \^\ et l2 présenteront la même longueur d'onde que celui-ci.
Si le faisceau incident est non monochromatique, les faisceaux et l2 présenteront les mêmes longueurs d'onde que celui-ci.
En revanche, comme on le verra plus bas, les intensités respectives de chacune desdites longueurs d'onde pour les faisceaux et l2 ne sont pas nécessairement égales à celle du faisceau incident.
Simulation de la réflectivité
Pour simuler la réflectivité de la surface texturée, on effectue successivement deux simulations optiques dans des conditions d'éclairement différentes, c'est-à-dire respectivement avec le faisceau puis le faisceau l2 avec leurs angles d'incidence respectifs.
Dans le cas où le faisceau incident est monochromatique, on simule la réflectivité pour la longueur d'onde correspondante.
Dans le cas où le faisceau incident est non monochromatique (cas du spectre solaire par exemple), on calcule la réflectivité pour un échantillon de longueurs d'onde parmi ledit spectre.
Le logigramme de la figure 7 illustre le principe de cette simulation optique.
Comme expliqué plus haut, on utilise la structure S avec une surface plane qui modélise le dispositif optoélectronique dont la surface est texturée.
Une première simulation optique SOI consiste à éclairer la surface Ss de la structure dans les premières conditions d'éclairement 11 *, à savoir celles du premier faisceau .
Le résultat Rs1 de cette première simulation est la réflectivité du faisceau incident pour la(les) longueur(s) d'onde considérée(s).
Une deuxième simulation optique S02 consiste à éclairer la surface Ss de la structure dans les deuxièmes conditions d'éclairement 12*, à savoir celles du second faisceau l2.
Le résultat Rs2 de cette deuxième simulation est la réflectivité du faisceau réfléchi par une première facette pour la(les) longueur(s) d'onde considérée(s).
La réflectivité étant une grandeur normalisée, il suffit de travailler pour cette simulation avec des intensités relatives et il n'est pas nécessaire, dans ce cadre, de calculer l'intensité de la partie du faisceau incident transmise à travers la surface de la structure.
La réflectivité finale Rn du faisceau incident sur la surface texturée est obtenue en effectuant le produit des deux réflectivités simulées ci-dessus (étape de calcul C).
A cet effet, on considère que deux réflexions sur des facettes sont représentatives du trajet parcouru par tous les rayons.
Sous cette hypothèse, le produit des réflectivités obtenues par la première et la seconde simulation constitue donc une représentation pertinente de la réflectivité de la surface texturée éclairée par un faisceau incident normal.
Il peut exister cependant des cas particuliers pour lesquels cette hypothèse n'est pas vérifiée, mais, comme on le verra plus bas, des formes d'exécution particulières de l'invention permettent d'en tenir compte et de procurer néanmoins des résultats précis.
Simulation électrique
Contrairement à la simulation de la réflectivité, la simulation électrique ne peut se contenter de travailler avec des intensités relatives ; il est au contraire nécessaire de connaître l'intensité du faisceau transmis à travers la surface du dispositif. La lumière transmise est la somme de la part transmise par le faisceau incident lors de sa première interaction avec une facette et de la part transmise par le faisceau une fois réfléchi lors de son interaction avec une seconde facette.
La simulation est donc effectuée sur une structure présentant une surface plane, sur lequel on fait arriver le premier faisceau incliné d'un angle ai (conditions d'éclairement 11 *) par rapport à la normale et le second faisceau l2 incliné d'un angle a2 (conditions d'éclairement 12*).
L'intensité de ce second faisceau est calculée grâce à l'intensité et la réflectivité du premier faisceau.
On procède de la façon suivante, schématisée sur le logigramme de la Figure 7.
Comme précédemment, on utilise la structure S avec une surface plane qui modélise le dispositif optoélectronique dont la surface est texturée.
Une première simulation optique SOI a pour but de construire le second faisceau tel que décrit ci-dessus.
Cette première simulation SOI est effectuée dans les premières conditions d'éclairement 11 * et consiste à simuler la réflectivité Rs1 du premier faisceau incident .
On calcule ensuite (étape C) l'intensité du second faisceau l2 pour chaque longueur d'onde (comme indiqué plus haut, une seule longueur d'onde est considérée si le faisceau monochromatique, un échantillonnage est considéré si le faisceau est non monochromatique) en multipliant l'intensité du premier faisceau par sa réflectivité Rs1 .
Pour un faisceau non monochromatique, on obtient donc un spectre lumineux.
On effectue ensuite une seconde simulation optique S02, dans laquelle on simule l'éclairement de la structure S simultanément avec les premières conditions d'éclairement 11 * (faisceau avec l'intensité du faisceau réel et l'angle d'incidence α-ι) et les secondes conditions d'éclairement 12* (faisceau l2 avec l'intensité calculée à l'étape C et l'angle d'incidence a2).
Ces deux faisceaux transmettent chacun une partie (respectivement Ts1 , Ts2) de leur intensité lumineuse à l'intérieur de la structure S.
La partie absorbée de ce qui a ainsi été transmis à l'intérieur du dispositif est ensuite convertie en grandeur électrique (concentration de porteurs en excès) comme lors d'une simulation standard, cette concentration de porteurs étant elle-même utilisée dans une simulation électrique SE1 mettant en œuvre des techniques connues en elle-même de l'homme du métier.
Le résultat J de la simulation électrique SE1 est soit le rendement quantique (EQE) soit la caractéristique du courant en fonction de la tension sous illumination (IV).
Par rapport à une simulation électrique connue, le résultat obtenu est plus précis puisqu'il tient compte de la concentration de porteurs en excès qui est différente, du fait de la texturation de la surface, de celle d'un dispositif présentant une surface plane, et qui est elle-même déterminée à partir des deux simulations optiques SOI et S02 qui tiennent compte de la texture de la surface.
Les figures 9A et 9B présentent ainsi les résultats comparatifs de la réflectivité Rn en fonction de la longueur d'onde λ obtenue par simulation (courbe SIMUL) et de manière expérimentale (courbe EXP), pour un spectre solaire AM1 .5G et un dispositif optoélectronique consistant en une cellule solaire dont la surface est texturée.
En l'occurrence, ladite surface texturée est constitué de pyramides régulières à base carrée et dont l'angle des flancs par rapport à la base est de 54,74° ; la largeur moyenne d'un côté de la base étant de 5 μηη.
Sur la figure 9A, la simulation optique a été effectuée selon une méthode de l'art antérieur, en modélisant la cellule sous la forme d'une structure présentant une surface plane et avec un éclairement normal à la surface.
Il existe un décalage significatif entre la courbe expérimentale et la courbe simulée, traduisant une mauvaise représentativité de la simulation.
Sur la figure 9B, la simulation optique a été réalisée conformément à l'invention, en modélisant la cellule sous la forme d'une structure présentant une surface plane et avec les conditions d'éclairement 11 *, 12* telles que définies plus haut.
On observe une excellente corrélation entre la courbe expérimentale et la courbe simulée, qui permet de valider la pertinence de la simulation selon l'invention.
Les figures 10A et 10B présentent quant à elles les résultats comparatifs du rendement quantique EQE en fonction de la longueur d'onde λ obtenue par simulation (courbe SIMUL) et de manière expérimentale (courbe EXP), pour un spectre solaire AM1 .5G et un dispositif optoélectronique identique à celui faisant l'objet des figures 9A et 9B.
Sur la figure 10A, la simulation électrique a été effectuée selon une méthode de l'art antérieur, en modélisant la cellule sous la forme d'une structure présentant une surface plane et avec un éclairement normal à la surface.
Il existe un décalage significatif entre la courbe expérimentale et la courbe simulée, traduisant une mauvaise représentativité de la simulation.
Sur la figure 10B, la simulation électrique a été réalisée conformément à l'invention, en modélisant la cellule sous la forme d'une structure présentant une surface plane et avec les conditions d'éclairement 11 *, 12* telles que définies plus haut.
On observe une excellente corrélation entre la courbe expérimentale et la courbe simulée, qui permet de valider la pertinence de la simulation selon l'invention.
Enfin, les figures 1 1A et 1 1 B présentent les résultats comparatifs de la densité de courant I en fonction de la tension V obtenue par simulation (courbe SIMUL) et de manière expérimentale (courbe EXP), pour un spectre solaire AM1.5G et un dispositif optoélectronique identique à celui faisant l'objet des figures 9A, 9B, 10A et 10B. Sur la figure 1 1 A, la simulation électrique a été effectuée selon une méthode de l'art antérieur, en modélisant la cellule sous la forme d'une structure présentant une surface plane et avec un éclairement normal à la surface.
Il existe un décalage significatif entre la courbe expérimentale et la courbe simulée, traduisant une mauvaise représentativité de la simulation.
Sur la figure 1 1 B, la simulation électrique a été réalisée conformément à l'invention, en modélisant la cellule sous la forme d'une structure présentant une surface plane et avec les conditions d'éclairement 11 *, 12* telles que définies plus haut.
On observe une excellente corrélation entre la courbe expérimentale et la courbe simulée, qui permet de valider la pertinence de la simulation selon l'invention.
Le procédé de simulation optique et électrique qui vient d'être décrit peut être utilisé à différentes fins.
Par exemple, il peut permettre d'optimiser les couches anti-reflets d'une cellule solaire en tenant compte de la texturation de surface.
Par exemple, cette optimisation peut comprendre l'optimisation des épaisseurs des couches anti-reflets pour un matériau donné, ou encore la sélection d'un matériau destiné à former l'une de ces couches en fonction de ses propriétés optiques.
Il permet également d'évaluer l'effet de cette optimisation sur le comportement électrique de la cellule.
Ce procédé peut également permettre d'évaluer l'effet d'une texturation de surface sur le comportement optique et électrique d'un dispositif optoélectronique non texturé, ou inversement l'évaluation de la performance d'un dispositif texturé si l'on supprime sa texturation.
Variantes d'exécution
Comme mentionné plus haut, il peut exister des cas particuliers pour lesquels l'hypothèse selon laquelle deux réflexions sur des facettes sont représentatives du trajet parcouru par tous les rayons n'est pas vérifiée.
Des formes d'exécution particulières de l'invention permettent d'en tenir compte et de procurer néanmoins des résultats précis.
Ainsi, selon une première variante de l'invention, schématisée à la figure 12, le dispositif optoélectronique D présente, sur sa surface texturée éclairée SD, une zone opaque O recouvrant partiellement ladite surface.
Ladite zone opaque peut être, par exemple, un contact électrique déposé à la surface du dispositif.
Dans ce cas, environ la moitié des rayons incidents sont déviés pour pénétrer sous la zone opaque, tandis que l'autre moitié n'y pénètre pas.
Par conséquent, selon l'orientation des faisceaux \^\ et l2 définis plus haut, la lumière incidente est soit totalement dirigée vers cette zone opaque - conduisant à surestimer l'effet de la lumière dans cette région), soit totalement dirigée hors de cette zone - conduisant à sous-estimer l'effet de la lumière dans la région située sous la zone opaque.
Pour éviter cette erreur dans la réflectivité finale, une variante du procédé décrit plus haut comprend la modélisation du premier faisceau sous la forme d'un premier demi- faisceau lu dirigé vers la zone opaque et d'un second demi-faisceau 2 symétrique par rapport à la normale N à la surface Ss (cf. figure 13).
Chaque demi-faisceau lu, 2 est incliné par rapport à ladite normale N avec l'angle ai défini plus haut et présente une intensité égale à la moitié de celle du premier faisceau h.
De manière similaire, on modélise le second faisceau l2 sous la forme d'un premier demi-faisceau l2i dirigé vers la zone opaque et d'un second demi-faisceau l22 symétrique par rapport à la normale N, chaque demi-faisceau l2i , l22 étant incliné par rapport à ladite normale N avec l'angle a2 défini plus haut et présentant une intensité égale à la moitié de celle du second faisceau l2.
Un autre cas particulier se produit lorsque l'angle des facettes par rapport à un plan horizontal est supérieur ou égal à π/3 rad.
En effet, dans cette configuration, les rayons réfléchis deux fois sur des facettes adjacentes vont systématiquement frapper une troisième facette.
Une variante du procédé de simulation permet de prendre en compte cette troisième réflexion pour améliorer la précision des résultats.
Après la simulation des premier et deuxième faisceaux et l2 décrite plus haut, on met en œuvre une troisième simulation avec un troisième faisceau, dont l'angle d'incidence et l'intensité sont calculés à partir de ceux du deuxième faisceau l2, d'une manière similaire à la manière dont les propriétés du second faisceau sont calculées à partir de celles du premier.
Un autre cas particulier se produit lorsque l'angle des facettes par rapport à un plan horizontal est supérieur ou égal à 3π/10 rad mais strictement inférieur à π/3 rad.
En effet, dans cette configuration, les rayons réfléchis deux fois sur des facettes adjacentes ont une probabilité non nulle mais non égale à 1 , qui dépend de l'angle des facettes, d'aller frapper une troisième facette.
Une variante du procédé de simulation permet de prendre en compte cette éventuelle troisième réflexion, avec la probabilité correspondante, pour améliorer la précision des résultats.
Après la simulation des premier et deuxième faisceaux et l2 décrite plus haut, on met en œuvre une troisième simulation avec un troisième faisceau, dont l'angle d'incidence et l'intensité sont calculés à partir de ceux du deuxième faisceau l2, d'une manière similaire à la manière dont les propriétés du second faisceau sont calculées à partir de celles du premier, mais en pondérant l'intensité du deuxième faisceau par la probabilité que cette troisième réflexion survienne.
Enfin, il est également possible de corriger les éventuelles erreurs du trajet optique des rayons pénétrant dans le dispositif, qui sont susceptibles d'induire une erreur sur la pénétration des photons dans le dispositif et par conséquent sur leur probabilité d'absorption.
A cet effet, selon une forme d'exécution de l'invention, on dévie artificiellement les rayons après leur transmission dans le dispositif, afin de leur donner l'angle réel par rapport à la géométrie du dispositif.
Cet angle réel est calculé en fonction de l'angle des facettes des cônes par rapport à la surface moyenne Sm du dispositif.
Cette déviation peut être mise en œuvre par différentes méthodes numériques à la portée de l'homme du métier, et peut être programmée à n'importe quelle distance de la surface.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de simulation optique et électrique d'un dispositif optoélectronique (D) dont la surface (SD) destinée à être éclairée présente une texture formée de cônes réguliers, sous l'effet de l'éclairement de ladite surface (SD) par un faisceau lumineux incident (I) présentant un spectre déterminé d'intensité en fonction de la longueur d'onde, ledit procédé étant mis en œuvre par ordinateur et caractérisé en ce qu'il comprend :
- la modélisation dudit dispositif (D) sous la forme d'une structure (S) dont la surface éclairée est modélisée par une surface (Ss) plane,
- la modélisation dudit faisceau lumineux incident (I) par :
* un premier faisceau lumineux (h) incliné par rapport à la normale (N) à ladite surface avec un premier angle (α-ι) non nul, simulant un angle d'incidence du faisceau incident (I) sur la texture de la surface (SD) du dispositif, et dont l'intensité est égale à celle du faisceau incident (I), et par
* un second faisceau lumineux (l2) incliné par rapport à la normale (N) à ladite surface avec un second angle (a2), simulant un angle d'incidence de la partie réfléchie du faisceau incident (I) sur la texture de la surface (SD) du dispositif,
- la simulation de l'éclairement de ladite surface (Ss) par lesdits premier et second faisceaux (h, l2).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chacun desdits cônes réguliers comprend une pluralité de facettes (F) inclinées d'un angle identique par rapport à une surface moyenne plane (Sm) de la surface (SD) du dispositif et en ce que ledit premier angle (α-ι) est égal à l'angle entre une facette (F) et ladite surface moyenne plane (Sm).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits cônes réguliers sont des pyramides régulières.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le second angle (a2) est défini comme étant l'angle d'incidence de la partie réfléchie du premier faisceau sur une facette adjacente à la facette frappée par ledit premier faisceau.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à partir de la simulation de l'éclairement de la surface plane (Ss) par ledit premier faisceau lumineux (h) on calcule la réflectivité dudit premier faisceau.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à partir de la simulation de l'éclairement de la surface plane (Ss) par le second faisceau lumineux (l2) on calcule la réflectivité dudit second faisceau.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on simule l'éclairement de ladite surface (Ss) par un troisième faisceau lumineux (l3) incliné par rapport à la normale (N) à ladite surface avec un troisième angle (a3), ledit troisième angle (a3) étant défini comme étant l'angle d'incidence de la partie réfléchie du second faisceau (l2) sur une facette adjacente à la facette frappée par ledit second faisceau.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface éclairée comprend une zone opaque et en ce que pour la simulation on modélise le premier faisceau (h) sous la forme d'un premier demi-faisceau (lu) dirigé vers la zone opaque et d'un second demi-faisceau ( 2) symétrique par rapport à la normale (N) à la surface (Ss), chaque demi-faisceau (lu, 2) étant incliné par rapport à ladite normale (N) avec ledit premier angle (α-ι) non nul et présentant une intensité égale à la moitié de celle du premier faisceau (h) et l'on modélise le second faisceau (l2) sous la forme d'un premier demi-faisceau (l2i) dirigé vers la zone opaque et d'un second demi-faisceau (l22) symétrique par rapport à la normale (N) à la surface (Ss), chaque demi-faisceau (l2i , l22) étant incliné par rapport à ladite normale (N) avec ledit second angle (a2) et présentant une intensité égale à la moitié de celle du second faisceau (l2).
9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'on calcule la réflectivité d'un faisceau incident sur la surface texturée en effectuant le produit des réflectivités des faisceaux (h, l2, l3, lu, 2, l2i , l22) avec lesquels l'éclairement de la surface plane (Ss) a été simulé.
10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'on calcule l'intensité du second faisceau (l2) en multipliant l'intensité du premier faisceau (h) par la réflectivité dudit premier faisceau.
1 1 . Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on calcule l'intensité du troisième faisceau (l3) en multipliant l'intensité du second faisceau (l2) par la réflectivité dudit second faisceau.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que l'on pondère l'intensité du troisième faisceau (l3) par un coefficient de probabilité dépendant de l'angle de la facette.
13. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le faisceau incident (I) est non monochromatique et en ce que l'on calcule la réflectivité du premier, du second et, le cas échéant, du troisième faisceau (h, l2, I3) pour chacune d'une pluralité de longueurs d'onde échantillonnées du spectre dudit faisceau incident (I), et en ce que l'on calcule la réflectivité dudit faisceau incident (I) en effectuant le produit des réflectivités desdits faisceaux (h, l2, I3) pour chacune desdites longueurs d'onde.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'on calcule un spectre d'intensité du second faisceau (l2) en multipliant l'intensité du premier faisceau (h) par la réflectivité dudit premier faisceau pour chacune desdites longueurs d'onde.
15. Procédé selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisé en ce que l'on simule l'éclairement de la surface plane (Ss) simultanément par le premier, le second et, le cas échéant, le troisième faisceau (h, l2, I3) et en ce que l'on calcule l'intensité absorbée par la structure (S).
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'on déduit de ladite intensité absorbée la concentration de porteurs en excès dans la structure sous l'effet dudit éclairement.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'à partir de ladite concentration de porteurs en excès, on calcule le rendement quantique externe et/ou la caractéristique du courant en fonction de la tension du dispositif optoélectronique.
18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'au cours de la simulation on calcule la partie du premier, du deuxième et/ou, le cas échéant, du troisième faisceau (h, l2, l3) transmise dans la structure (S) et en ce que l'on corrige l'inclinaison de ladite partie transmise en la déviant.
19. Produit programme d'ordinateur comportant un ensemble d'instructions qui, une fois chargées sur un ordinateur, permettent la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 18.
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