Thèse soutenue

Développement et optimisation du procédé Spray Plasma de dépôt de couches minces d'oxyde de zinc : application aux cellules photovoltaïques

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Auteur / Autrice : Kamal Baba
Direction : Mehrdad Nikravech
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie des procédés
Date : Soutenance en 2013
Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

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Résumé

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Ce travail de thèse a pour but la mise au point et l’optimisation d’un nouveau procédé de dépôt de couches minces d’oxyde de zinc pour des applications photovoltaïques. Le principe de ce procédé, nommé « Spray Plasma », consiste à injecter un aérosol de microgouttelettes d’une solution aqueuse de nitrate ou chlorure de zinc dans un réacteur plasma basse pression. Sous l’effet de l’évaporation rapide et la réactivité du plasma d’argon/oxygène, le précurseur de zinc est transformé en couches minces d’oxyde sur la surface du substrat à température contrôlée. La transformation chimique fait intervenir des radicaux d’oxygène, de OH, des électrons, et des espèces excitées d’argon ou d’oxygène. La caractérisation expérimentale de la décharge par spectroscopie d’émission et par sonde de Langmuir nous a permis de déterminer les paramètres plasma tels que la température électronique (2-4 eV), la température du gaz (400 K), la densité des ions ainsi que l’évolution des espèces réactives du plasma. Parallèlement, ont été développés un modèle hydrodynamique pour calculer l’évolution de la taille et de la température des gouttelettes dans le réacteur d’une part, et un modèle cinétique en volume pour calculer l’évolution des paramètres du plasma d’autre part. La caractérisation des films par différentes techniques (DRX et MEB) nous a montré l’obtention de films nanostructurés avec des vitesses de dépôt de l’ordre de 90 nm/min. Le contrôle des paramètres de dépôt tels que la température du substrat, la concentration en précurseur et la fraction d’oxygène, permet de contrôler l’orientation cristalline, l’épaisseur, la rugosité et la taille des grains des films. Nous avons étudié le rôle de chaque paramètre sur la croissance des films et leurs propriétés structurales, optiques et électriques et corrélé ces résultats avec les caractéristiques du plasma.