Thèse soutenue le 02 septembre 2014 pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Grenoble - Spécialité : Physique des matériaux

Résumé :
L'objectif principal de cette thèse est dirigé vers l'établissement et l'explication des relations entre les conditions de synthèse des couches minces de CZTSSe, ses propriétés physiques et les performances des dispositifs photovoltaïques. Pour faire face à cette tâche la première approche était de comprendre le mécanisme de formation de la matière par rapport aux conditions de croissance du matériau. Le CZTSSe est synthétisé par un processus de sélénisation en deux étapes, où une première étape de dépôt par PVD de précurseurs est nécessaire, suivie d'une seconde étape de recuit sous atmosphère de sélénium. Différents ordres d'empilement de précurseurs ont été étudiés afin de comprendre la séquence de réactions qui, à partir de leur dépôt, conduise à la couche finale de CZTSSe. Cette étude, fait en plusieurs étapes, a nécessité un effort important sur la caractérisation du matériau à chaque étape de la synthèse. Le résultat a montré que dans le cas du procédé en deux étapes, le matériau final est indépendant du dépôt de précurseurs. Les possibles implications bénéfiques en raison de l'incorporation de sodium dans le CZTSSe sont également décrites. Cette étude est réalisée en synthétisant la couche de CZTSSe sur différents substrats contenant diffèrent taux de sodium: de cette manière, pendant la synthèse, le sodium migre de substrats vers l'absorbeur. Après quantification du Na dans le CZTSSe juste après la croissance, le matériau est caractérise afin d'évaluer sa qualité. Ensuite il est employé dans une cellule solaire complète pour vérifier ses propriétés photovoltaïques. Les résultats ont montré que, comme pour la technologie CIGS, le sodium est bénéfique pour le CZTSSe, permettant l'augmentation de la tension à circuit ouvert et le rendement de cellule. Le molybdène est le contact arrière le plus utilisé pour les cellules solaires à base CZTSSe. Cependant, il a été suggéré récemment que le Mo n'est pas stable à l'interface avec le CZTSSe. En outre, à ma connaissance, aucune étude expérimentale n'a été effectuée à ce jour pour tester si les cellules solaires construites sur un autre contact arrière pourraient présenter de meilleures propriétés photovoltaïques. A cet effet, divers métaux (Au, W, Pd, Pt et Ni) sont déposées sur le dessus de Mo et testés comme contacts arrières dans les cellules solaire à base de CZTSSe. Il est démontré qu'il est possible synthétiser de films minces de CZTSSe de qualité quand le tungstène, l'or et le platine sont employé comme contacts arrière. Il est démontré que les contacts en W et Au permettent d'augmenter le courant photogénéré, mais aussi que le Mo reste le meilleur contact arrière en termes d'efficacité de conversion. Les effets de la variation du rapport [S]/([S]+[Se]) sur les performances des cellules solaires à base CZTSSe ont été étudiés. Cette étude a été faite par simulations des cellules solaires à base de CZTSSe, où le taux de chalcogènes dans l'absorbeur est varié, avec l'objective de trouver la composition optimale de l'absorbeur. Deux types d'approche différente ont été étudiés: la variation linéaire du rapport des chalcogènes, et une variation parabolique. Les simulations conduisent à un rendement de 16,5% (avec une tension en circuit ouvert de 0,56 V, courant de court-circuit de 37,0 mA/cm² et un facteur de forme de 79,0%) lorsque la teneur en soufre est diminué linéairement à partir du contact arrière en direction de la couche tampon. Sur la base de ces résultats, nous proposons que l'ingénierie de bande interdite sur la base de la variation du taux [S]/([S]+[Se]) dans l'absorbeur est un outil puissant qui permet d'augmenter les performances des cellules solaires à base CZTSSe sans changer la qualité de l'absorbeur en lui-même.

Jury :
Présidente : M. Daniel Bellet
Rapporteur : M. Daniel Lincot
Rapporteur : M. Jean-Yves Chane-Ching
Directeur de thèse : M. Henri Mariette
Encadrant : M. Louis Grenet
Co-encadrant : M. Simon Perraud

Mots clés :
CZTSSe, Cellules solaires, Kesterite, Couche mince

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