Modeling and physical studies of kesterite solar cells

• Auteur / Autrice : Dario Cozza
• Direction : Ludovic Escoubas, Jean-Jacques Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, physique, micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 28/01/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Kleider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edgardo Saucedo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yaroslav Romanyuk, Stéphane Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures électriques

Électrons

Dynamique des fluides

Photopiles

Mots clés libres

Kësterite

CZTSe

Modélisation

Simulation

Kpfm

Tmm

Scaps

Silvaco

Kesterite

CZTSe

Modeling

Simulation

Kpfm

Tmm

Scaps

Silvaco

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique de cellules solaires à base de kësterite (CZTSé, CZTS) dans le but d’étudier leurs mécanismes physiques et d’améliorer la conception de ces dispositifs. Les kësterites sont une classe de matériaux que l’on peut déposer en couches minces et qui sont constitués d’éléments abondants sur Terre et donc à faible coût. Deux modèles numériques pour les cellules solaires CZTSe et CZTS sont proposés. Des simulations 1D et 2D sont réalisées: le logiciel SCAPS est utilisé pour étudier l’impact des couches de molybdène et de MoSe2, présents au contact arrière des cellules solaires CZTSe. Nous étudions également les propriétés idéales de couches d’interface alternatives qui pourraient remplacer le MoSe2 pour améliorer les performances des cellules solaires. La méthode des matrices de transfert (TMM) et le logiciel SCAPS sont utilisés conjointement pour effectuer des simulations optoélectroniques dans le but d’optimiser l’épaisseur du buffer (CdS) et le TCO (Transparent Conductive Oxide) afin de maximiser le courant de court-circuit (JSC ) des cellules solaires. Enfin Silvaco est utilisé pour réaliser des simulations 2D des joints de grains (GBs) du CZTSe présents à l’intérieur des absorbeurs polycristallins de la kësterite. Pour ce faire, des caractérisations KPFM sont effectuées dans le but de trouver des corrélations possibles entre les pertes de rendement et l'activité électrique des GBs.

This thesis deals with modeling and simulations of kesterite solar cells with the aim of studying their physical mechanisms and improving the design of the devices. Synthetic kesterites are thin film materials made of cheap/earth-abundant elements. Two numerical models for a Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) and a Cu2ZnSnS4 (CZTS) solar cell are proposed. The provided values of the material parameters, for all the layers of the solar cell, are obtained either from comparisons/analysis of data found in literature or, in some cases, from direct measurements. 1D and 2D simulations are performed: the software SCAPS is used to study the impact of the Molybdenum and the MoSe2 layers, present at the back contact of CZTSe solar cells. We investigate also the ideal properties of alternative interfacial layers that could replace the MoSe2 layer to improve the device performances. The transfer matrix method (TMM) and SCAPS are employed together to perform optoelectronic simulations with the aim of optimizing the thickness of the buffer (CdS) and the window (ITO) layers in order to maximize the short circuit current (JSC ) of the device. Finally Silvaco is used to perform 2D simulations of the CZTSe grain boundaries (GBs) present inside the polycrystalline kesterite absorbers. For the latter work, experimental Kelvin probe force microscopy (KPFM) characterizations are performed in order to find possible correlations between the performance losses and the electrical activity of the GBs.