Modélisation ab initio des défauts ponctuels chargés et de leur impact sur les propriétés opto-électroniques de matériaux semiconducteurs cristallins

Ab initio modeling of charged point defect and their impact on opto-electronic properties of crystalline semiconductor materials

• Auteur / Autrice : Adrien Stoliaroff-Pépin
• Direction : Stéphane Jobic, Camille Latouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Florent Boucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Baraille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvana Botti, Antoine Villesuzanne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul ab initio

Photopiles

Semiconducteurs polycristallins

Cristaux -- Défauts

Mots clés libres

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Résumé

Les défauts cristallographiques sont à l'origine de nombreuses propriétés d'intérêt pour les matériaux applicatifs. Dans le domaine de l'électronique, et du solaire photovoltaïque en particulier, un grand nombre de propriétés optoélectroniques (conductivité électronique, nature et concentration des porteurs de charges...) sont pilotées par les défauts cristallographiques ponctuels dans les matériaux mis en jeu et aux interfaces. Aussi il est crucial de caractériser les défauts prépondérants et leur impact sur les propriétés recherchées afin de pouvoir améliorer les performances des dispositifs. L'étude expérimentale des défauts, objets microscopiques, étant complexe et ne donnant qu'une image partielle et sujette à interprétations, les méthodes de simulation ab initio apparaissent comme un outil puissant pour la compléter. Une approche dite de super cellules permet avec l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) d'étudier un à un chaque défaut dans tous ses états de charge, et au moyen du calcul de son enthalpie de formation en fonction du niveau de Fermi d'établir sa concentration et son impact sur la conductivité. Ainsi l'origine du type n du matériau β- In2S3 étudié au laboratoire comme potentielle couche tampon dans des cellules photovoltaïques de deuxième génération est déterminée. Le problème d'intérêt fondamental du caractère semi métallique/semi conducteur de TiS2 est élucidé. Enfin, les limites de la méthode sont éprouvées par l'étude de l'entropie dans différentes formes de sélénium cristallin.

Numerous applicative properties of materials originate from crystallographic defects. In the field of electronics and solar photovoltaic in particular, several opto-electronic properties (electronic conductivity, nature and concentration of the charge carries...) are driven by point defects in the different materials in place and at the interfaces. Thus, it is crucial to characterise the most concentrated defects and their impact on the targeted properties in order to enhance the device performances. Studying microscopic defects experimentally is a complex task which only brings partial answers requiring interpretation. Ab initio simulation techniques appear as a powerful tool to complete experiments. The supercell approach along with Density Functional Theory (DFT) allows to study each defect in all its states of charge. Evaluating the formation enthalpy of defects with respect to the Fermi level allows to obtain its concentration and impact on the conductivity. This way, the origin of the n-type conductivity of β-In2S3, a buffer material for 2nd generation photovoltaic solar cells studied at the laboratory, is determined. The problem of fundamental interest of whether TiS2 is a semiconductor or a semimetal is elucidated. Finally, the limits of the method are tested by studying entropy in different allotropic forms of crystalline selenium.