Influence du procédé de dépôt à base de KF sur la formation de l’hétérojonction polycristalline Cu(In,Ga)Se2/CdS pour application photovoltaïque

Influence of KF post deposition treatment on the polycrystalline Cu(In,Ga)Se²/CdS heterojunction formation for photovoltaic application

• Auteur / Autrice : Thomas Lepetit
• Direction : Nicolas Barreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - Université Nantes-Angers-Le Mans - COMUE (2009-2015)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Barreau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Joints de grains

Couches minces

Photopiles

Hétérojonctions

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Cu(In, Ga)Se²

Alcalins

Résumé

La mise en place d’un traitement post-dépôt de l’absorbeur de Cu(In,Ga)Se2(CIGS) sous vapeur de KF sous pression partielle séléniée (KF-PDT) au sein des dispositifs photovoltaïques à base d’hétérojonctions de type CIGS/CdS permet l’obtention de rendements de conversion supérieurs à 20 % à l’échelle du laboratoire. Les origines de l’augmentation des paramètres photovoltaïques (i. E. Voc, FF, Jsc) par ce traitement sont néanmoins source de discussions, d’autant que son efficacité est restreinte à des conditions expérimentales souvent difficiles à déterminer, donc à maîtriser. Le premier objectif de ce travail a donc été de montrer que la présence d’une phase chalcopyrite déficitaire en cuivre à la surface de l’absorbeur avant le KF-PDT est nécessaire pour éviter la ségrégation de CuxSe et ainsi obtenir les effets bénéfiques du traitement. Dans ce cas nous montrons que le KF-PDT implique la formation d’une nouvelle phase superficielle (∼5 nm) qui modifie la croissance du CdS par bain chimique (CBD). Un nouveau matériau CdIn2S4 dérivant de cette phase est formé à l’hétéro-interface CIGS/CdS, dont les propriétés opto-électroniques sont remarquablement pertinentes pour les performances de l’hétérojonction. La modification des propriétés des homo-interfaces de CIGS (i. E. Joints de grains) induite par le traitement est également étudiée. Enfin nous discutons des propriétés opto-électroniques particulières de ces cellules solaires et proposons un modèle électrique, en lien avec le modèle chimique de la modification simultanée des homo- et hétéro-interfaces par le KF-PDT et lors du dépôt du CdS par CBD, permettant d’expliquer l’amélioration des performances liées à ce traitement

Among photovoltaic technologies, Mo/Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)/CdS/ZnO/ZnO:Al solar cell is the only thin film based structure demonstrating record energy conversion efficiency of 21. 7 %. This outstanding level of performance for such polycrystalline and hetero-junction based devices has been made possible by the use of a so-called potassium fluoride post deposition treatment (KF-PDT) after the absorber synthesis. Such treatment indeed improves all photovoltaic parameters of the solar cell (i. E. Voc, FF, Jsc). Nevertheless, this paradigm appears closely dependent to specific CIGS-surface characteristics which, if not fully satisfied, can yield hindered device performance. In the present work, CIGS absorbers leading to either beneficial or detrimental impact of KF-PDT have been firstly finely investigated. From this study it appeared conclusive that the presence of an ordered vacancy compound (OVC) on top of the CIGS is requested to avoid –detrimental- CuxSe segregation and to take advantage of the KF-PDT. It is herein proposed that this superficial Cu-poor chalcopyrite results in a new phase that turns during the chemical bath deposition of CdS into a ∼5 nm-thick CdIn2S4 layer. This mechanism can in particular explain the much more homogeneous CBD-growth of the buffer layer. Moreover, it is shown that cubic CdIn2S4 material, which has n+-type conductivity, forms a defect-free interface with the CIGS. The final part of this work aims at discussing the impact of KF-PDT on the electro-optical properties of CIGS/CdS solar cell, based on the modifications it implies on both heterojunction and grain boundary characteristics