Élaboration et caractérisation de couches minces de Zn(O,S), Mo et ZnO : Al déposées par pulvérisation magnétron pour la réalisation de cellules photovoltaïques CIGS

Development and characterization of Zn(O,S), Mo and ZnO : Al thin films deposited by magnetron sputtering for the production of CIGS solar cells

• Auteur / Autrice : Sabine Fabert
• Direction : Marie-Paule Besland, Pierre-Yves Jouan, Michèle Carette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 19/04/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Vilcot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Hugon, Louis Grenet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Lise Thomann, Jean-François Pierson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Molybdène

Zinc -- Composés

Couches minces

Mots clés libres

Pulvérisation magnétron

Cellule solaire

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un partenariat entre l’Institut des Matériaux Jean Rouxel et la société Crosslux qui souhaite développer un vitrage photovoltaïque semi-transparent par pulvérisation magnétron. Dans ce contexte, ce travail concerne la mise au point du dépôt par pulvérisation cathodique des couches de contact et de la couche tampon entourant le matériau actif CIGS. La réalisation et la caractérisation d’une couche tampon en Zn(O,S) constituent le coeur de cette thèse afin de proposer une alternative à la couche CdS, matériau toxique déposé par bain chimique, technique peu adaptée à la réalisation de grandes surfaces. L’optimisation de la couche tampon Zn(O,S) a mis en évidence un ajustement possible de la composition chimique entre ZnO0,2S0,8 et ZnO2S0,5 et un contrôle des propriétés cristallines et optiques. Des films denses de ZnO0,42S0,66 présentent des caractéristiques satisfaisantes pour l’application visée avec une transparence de 90 % et un gap optique de 2,5 eV. Le contact arrière en molybdène (Mo) est constitué d’une structure bicouche optimisée : une première couche peu dense assure une bonne adhérence au substrat de verre et une couche supérieure dense permet d’atteindre une faible résistivité électrique de 22.10-6 Ω.cm. Le contact avant en oxyde de zinc dopé aluminium (AZO), réalisé en mode DC pulsé et réactif Ar/O2, présente après recuit à 250 °C sous azote, une transmittance moyenne dans le visible de 93 %, une résistivité de 3.10-3 Ω.cm et une figure de mérite de 6,45.10-3 Ω-1. Ce travail constitue une contribution significative à la réalisation complète de cellules CIGS par pulvérisation magnétron.

This PhD work has been performed within collaboration between the Institute of Materials Jean Rouxel and Crosslux Company, aiming at developing semi-transparent photovoltaic glasses using only magnetron sputtering. This work is focused on magnetron sputtering deposition of both contact layers (Mo and AZO) and buffer layer dedicated to CIGS solar cell. The main focus of this work was the optimization of the Zn (O, S) buffer layer in order to replace the CdS layer deposited by chemical bath unsuitable for large areas. The Zn(O, S) buffer layer study highlights a possible adjustment of the chemical composition between ZnO0.2S0.8 and ZnO2S0.5 and control of the crystalline and optical properties. ZnO0.42S0.66 dense layers exhibit satisfying properties for the targeted application with a visible transparency equal to 90 % and an optical gap of 2.5 eV. The molybdenum back contact (Mo) is an optimized bi-layered structure allowing a good adhesion to the glass substrate and low electrical resistivity (in the 20.10-6 Ω.cm range) thanks to the upper dense layer. The aluminum-doped zinc oxide (AZO) front contact deposited by Ar/O2 reactive pulsed DC mode and annealed at 250° C under nitrogen, exhibits an average transmittance of 93 % in the visible range, a resistivity of 3 10-3 Ω.cm and a figure of merit of 6.45 10-3 Ω-1. This work stands as a significant contribution to the deposition of the entire CIGS solar cell by magnetron sputtering.