Propriétés photoélectriques de vitrocéramiques et cristaux de chalcogénures

Photoelectric properties of chalcogenide glass-ceramics and crystals

• Auteur / Autrice : Ilia Korolkov
• Direction : Jean-Luc Adam, Xiang Hua Zhang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 10/11/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de culture religieuse (Abidjan)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Verres de chalcogénures

Photoélectricité

Vitrocéramique

Mots clés libres

Verre

Vitrocéramique

Chalcogénure

Selinure d'antimoine

Couches-Minces

Cellules solaires

Chalcogenides

Glass

Glass-Ceramics

Thin films

Antimony selenide

Solar cells

Résumé

La crise de l’énergie ainsi que les problèmes écologiques sont considérés comme les défis les plus importants de demain. Cependant, les sources d’énergies renouvelables et respectueuses de l’environnement ne sont pas suffisamment développées, ce qui entraîne une contribution faible à la production d’énergie. Les cellules solaires font partie des sources d’énergies renouvelables les plus attractives et prometteuses. Cependant, les panneaux solaires existants ont toujours un facteur de qualité négatif, c’est-à-dire que leur production et leur entretien demandent plus d’énergie qu’ils ne sont capables de produire pendant leur cycle de fonctionnement. Malgré la réduction exponentielle du prix des panneaux solaires, leur efficacité de conversion n’est pas suffisante. Les succès récents dans la science des matériaux ont beaucoup contribué à son amélioration, néanmoins des études sur les nouveaux matériaux photovoltaïques sont nécessaires. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent les vitrocéramiques de chalcogénures dans le système GeSe2-Sb2Se3-CuI. De nombreuses compositions chimiques différentes ont été préparées et analysées du point de vue structural et électrique dans le cadre de ce système. Il a été démontré que la phase Sb2Se3, responsable des propriétés photoélectriques dans les vitrocéramiques, possède un grand potentiel pour les applications photovoltaïques grâce à ses propriétés optiques bien adaptées. L’influence des modifications de la composition des cristaux de Sb2Se3 sur la structure et les propriétés électriques a été étudiée. La flexibilité du type de conductivité et la résistivité des cristaux massifs de Sb2Se3 ont été montrées. Enfin, les couches minces à base de vitrocéramiques et cristaux massifs étudiés ont été préparées par la pulvérisation cathodique RF magnétron. Leur structure et les propriétés électriques sont également décrites dans cette thèse. Une cellule solaire complètement fonctionnelle, basée sur Sb2Se3 dopé iode et sur la vitrocéramique de 40GeSe2-40Sb2Se3-20CuI, a été préparée et caractérisée.

Energy crisis and global ecological problems are considered as important challenges of nearest future. Eco-friendly and renewable sources of energy are still severely undeveloped and contribute weakly to the energy production. One of the most attractive and promising domains of renewable energy is a solar light harvesting. However, existing solar panels still possess negative quality factor, i.e. their fabrication and maintenance require more energy that they are capable to produce during their life cycle. Despite exponential reduction of the price, solar cells are not efficient enough in terms of light to energy conversion. Recent breakthroughs in material science contributed a lot to the increase of efficiency, however further investigation of novel materials are needed. Here, chalcogenide glassceramics of GeSe2-Sb2Se3-CuI system were studied in details. Within this system various chemical compositions were prepared and analyzed for their structure and photoelectric properties. We found that Sb2Se3 phase, responsible for the appearance of photoelectric effect in glass-ceramics, have a great potential for light harvesting due to its suitable optical properties. In the present work we demonstrated the influence of various dopants on photoelectric properties of Sb2Se3 crystals. We showed a possibility of conductivity type and resistivity tuning of bulk Sb2Se3 crystals in a wide range of values. Thin film devices based on studied bulk compositions were prepared by RF sputtering and characterized structurally and electrically as well. We demonstrated a fully functional thin film solar device based on iodine doped Sb2Se3 and 40GeSe2-40Sb2Se3-20CuI glass-ceramic.