Caractérisation des cellules solaires à base de couches minces kesterite Cu2ZnSnSe4 : compréhension des propriétés fondamentales des matériaux et contrôle de la qualité pour l'optimisation et le suivi des procédés de fabrication

Characterization of Cu2ZnSnSe4 kesterite thin film solar cells : understanding of the fundamental material properties and quality control for process optimization and monitoring

• Auteur / Autrice : Lisa Carina Mareike Risch
• Direction : Jean-Jacques Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Negar Naghavi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iver Lauermann, Nicolas Barreau, Carmen Maria Ruiz, Thomas Goislard de Monsabert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Negar Naghavi, Máximo León

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés de fabrication

Cuivre -- Couches minces

Photopiles

Mots clés libres

Kësterites

Cellules solaires de couches minces

Caractérisation

Déficit de Voc

Application aux processus industriels

Kesterites

Thin film solar cells

Characterization

Voc deficit

Application to the industrial process

Résumé

Cette thèse porte sur la caractérisation des cellules solaires à base de couches minces de kesterite Cu2ZnSnSe4 (CZTSe). Au cours des dernières années, une attention croissante a été portée aux cellules solaires kesterite. En effet, Cu, Sn et Zn étant abondants dans la croûte terrestre, les technologies photovoltaïques à base de couches minces absorbantes de kesterite apparaissent comme un candidat prometteur pour la production à grande échelle et à faible coût de cellules solaires. Cependant, les cellules solaires kesterite souffrent d'un sévère déficit de la tension en circuit ouvert (Voc) par rapport aux autres technologies PV, résultant en un écart de performance significatif avec la technologie cousine à base de chalcopyrite (CIGS). Les meilleurs rendements reportés pour la technologie à base de couches minces CIGS sont 22,6%, alors que les cellules solaires kesterite restent en dessous de 13% de rendement. Comprendre les propriétés fondamentales des matériaux et cellules solaires kesterite et résoudre les difficultés liées à leur fabrication sont des points cruciaux pour améliorer les performances de cette technologie.Dans le cadre de cette thèse, différents mécanismes responsables des faibles valeurs de Voc des cellules kesterite ont été identifiés et caractérisés. Deux facteurs principaux y contribuent de manière significative: la recombinaison non radiative et le bandtailing. Ces phénomènes sont liés à la présence de phases secondaires et de défauts impactant l'hétérojonction p-n. Par conséquent, cette thèse se concentre sur la détection des phases secondaires et des défauts et le rôle de la couche tampon de type n.

The present thesis deals with the characterization of Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) kesterite thin film solar cells. Over the last years, kesterite based devices have attracted growing attention. As Cu, Sn and Zn are earth-abundant metals, the kesterite compounds are promising candidates as absorber materials for the mass production of low-cost photovoltaic devices. However, kesterite solar cells suffer from a severe open circuit voltage (Voc) deficit in comparison with other PV technologies, resulting in a significant performance gap between thin film kesterite and chalcopyrite (CIGS) based devices. Best reported efficiencies for the related CIGS thin film technology are 22.6% at cell size and 17.9% for a commercial module – very close to the performance of Si solar cells – while kesterite solar cells remain below 13% power conversion efficiency. Understanding the fundamental properties of kesterite materials and devices and solving challenges associated with their fabrication are the key to improve device performances.In the framework of this thesis, different loss mechanisms related to the low Voc values of kesterite solar cells have been identified and characterized. Two major factors are thereby observed to be responsible for the significant Voc deficit: non-radiative recombination and band tailing. These aspects are related to the presence of secondary phases and defects that have a significant impact on the pn-heterojunction. Therefore, this thesis focuses on the detection of secondary phases and defects and the role of the n-type buffer layer.