Absorbeurs chalcogénures à grand gap ~1,7 eV pour la réalisation de cellules solaires en couches minces

Chalcogenides absorbers with a wide bandgap ~1,7 eV for thin-film solar cells

• Auteur / Autrice : Angélica Thomere
• Direction : Alain Lafond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 28/01/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Céline Darie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Guillot-Deudon, Emmanuel Guilmeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Darie, Olivier Briot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Silicium -- Couches minces

Cristallographie

Mots clés libres

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Résumé

Les cellules solaires en couches minces à base d’un absorbeur Cu(In,Ga)S2 (CIGS) sont actuellement envisagées pour former une cellule tandem avec une cellule à base de silicium. Le gap désiré pour cette application est ~1,7 eV et peut être obtenu pour une composition Cu(In0,7,Ga0,3)S2 qui est la composition d’intérêt de notre étude. Cependant, au cours d’un dépôt de couche mince, plusieurs phases sont susceptibles de se former et il existe très peu d’informations sur les phases soufrées CIGS dans la littérature.L’objectif de cette thèse est d’étudier fondamentalement les structures et les propriétés des phases CIGS par une approche de cristallochimie, afin d’obtenir des informations pour l’optimisation d’un dépôt de couches minces par co-évaporation. Elle se divise en deux parties : une partie sur les échantillons dits “massifs”, sous forme de poudres et cristaux, synthétisés par voie céramique à haute température, et une partie sur les matériaux sous forme de couches minces, déposées sur des substrats de verre/molybdène par co-évaporation. Les structures et compositions des deux types d’échantillons sont déterminées par diffraction des rayons X et analyse élémentaire EDX. La première partie a permis d’établir un diagramme de phases de CIGS et de connaître le domaine de stabilité de la structure chalcopyrite. La seconde a permis l’optimisation d’un procédé de co-évaporation qui a mené à l’élaboration de cellules solaires prometteuses.

Cu(In,Ga)S2 (CIGS) thin-film solar cells are currently considered to be used as the top cell of a tandem solar cell with a silicon bottom cell. The required bandgap for this application is ~1,7 eV which can be reached with the composition of Cu(In0,7,Ga0,3)S2. However, different phases can be formed during the co-evaporation process, and there is not a lot of details about sulfides CIGS in the literature. This thesis investigates fundamentally the structures and properties of the CIGS phases by a chemical crystallographic approach to optimize the deposition of co-evaporated thin-films. It is divided into two parts: the first one is about “bulk” materials, powders and crystals synthetized by high temperature ceramic route, and the second part is about thin-film materials deposited on glass/molybdenum substrates by co-evaporation. A link is made between the two kinds of samples by analysing their structures and compositions by X-ray diffraction and energy dispersive X-ray spectrometry. The first part leads to the determination of the CIGS phase diagram and the stability domain of the chalcopyrite structure. The second part brings to the optimization of the co-evaporation process and to promising solar cell efficiencies.