Etude et élaboration par Close-Spaced Vapor Transport (CSVT), d’absorbeurs Cu2ZnSnS4 en couches minces polycristallines destinées à la réalisation de photopiles à faible coût

Study and preparation by Close-Spaced Vapor Transport (CSVT) of Cu 2 ZnSnS 4 absorbers as polycrystalline thin films for a low cost solar cells realization

• Auteur / Autrice : Alphousseyni Sagna
• Direction : Kamal Djessas, Chreikh Sene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 03/12/2016
• Etablissement(s) : Perpignan en cotutelle avec Université Cheikh Anta Diop (Dakar, Sénégal ; 1957-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des semi-conducteurs et d’énergie solaire (Dakar) - Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Hassan Chehouani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Chehouani, Amadou Seidou Hassane Maiga, Lahcen Essaleh, Babacar Mbow
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amadou Seidou Hassane Maiga, Lahcen Essaleh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception et construction

Photopiles

Couches minces

Mots clés libres

Kësterite

CZTS

Couches minces

Photopiles

Solar cells

Thin films

Résumé

Le kësterite Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) est un semi-conducteur de type p composé d'éléments abondants et non toxiques. Ces atouts, en plus d’un gap direct, compris entre 1,45 et 1,5 eV, en font un excellent candidat pour remplacer les matériaux Cu(In,Ga)Se 2 et CdTe utilisés dans les photopiles en couches minces. Il a cependant été mis en évidence que les performances des photopiles utilisant CZTS comme absorbeur souffrent de la présence de phases secondaires dans les couches minces. Ainsi le travail présenté dans cette thèse décrit le dépôt de couches minces de CZTS par un procédé simple et à faible coût appelé Close SpacedVapor Transport(CSVT). Son objectif essentiel est de réaliser un composé CZTS dépourvu de toute phase secondaire en vue d’améliorer les rendements de conversion des cellules photovoltaïques à base de CZTS. Pour cela, le matériau massif a d’abord été synthétisé sous forme de lingot par le refroidissement lent et programmé d’un bain fondu obtenu à partir d'éléments purs. Les caractérisations réalisées sur le massif montrent qu’il s’agit d’un composé monophasé Cu 2 ZnSnS 4 , de composition quasi-stœchiométrique, dans la structure kësterite. Le lingot broyé et mis sous forme de pastille, est utilisé par la suite comme source à évaporer dans un réacteurCSVT utilisant de l’iode comme agent de transport, pour la formation de couches minces CZTS. L'optimisation des paramètres clés de dépôt des couches minces que sont la température du substrat et la pression d'iode a été effectuée. Les résultats d'analyses menées sur les couches de CZTS déposées à des températures de substrat comprises entre 460 à 500 °C, sous des pressions d'iode de 2 Kpa à 4 kPa, ont révélés d’excellentes propriétés physico-chimiques.

The kësterite Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) is a p-type semiconductor material made from abundant and nontoxic chemical elements. These advantages in addition to a direct band gap, with energy between 1.45eV and 1.5 eV, make it an excellent candidate for replacement of Cu(In, Ga)Se 2 and CdTe absorber layers currently used in thin film solar cells. It has although been highlighted that photovoltaic devices based on thin CZTS absorber layers are highly suffering from the presence of secondary phases in the thin films. So the work presented in this thesis describes thin CZTS layers deposition by a simple and low-cost process called Close Spaced Vapor Transport (CSVT). Its main objective is to realize a CZTS compound free of any secondary phase with the aim of improving conversion efficiencies of CZTS thin films based photovoltaic solar cells. For this purpose, the bulk CZTS material was first synthesized in the form of ingot by a slow cooling of a molten stoichiometric mixture of pure elements. Characterizations realized on this bulk material showed that it relates to a single phase, quasi-stoichiometric Cu 2 ZnSnS 4 compound in the kësterite structure. The ingot was milled into powders and pressed to give 1 mm thick pellets. These pellets were therefore used as evaporating sources in a CSVT reactor with iodine as transport agent, for the thin CZTS layers deposition. Optimizations of the key deposition parameters that are substrate temperature and iodine pressure were performed. The Results of the investigations conducted on the CZTS layersdeposited at substrate temperature in the range 460 °C-500 °C, under iodine pressure in the order of 2 kPa to 4 kPa, revealed excellent physico-chemical properties.