Etudes des hétérostructures à bases d'oxydes complexes pour de potentielles utilisations en cellules solaires

Study of heterostructure based on complex oxides for future integration in solar cells

• Auteur / Autrice : Aimane Cheikh
• Direction : Arnaud Fouchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissemnt de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Dumont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Fouchet, Silviu-Mihail Colis, Bertrand Vilquin, Ulrike Anne Lüders, Christophe Labbé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Silviu-Mihail Colis, Bertrand Vilquin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces (sciences physiques)

Oxydes des métaux de transition

Dépôt par laser pulsé

Couches minces

Mots clés libres

Oxydes transparents et conducteurs (TCO)

Thin film

Pulsed laser deposition (PLD

Transition metal oxides

Transparent conducting oxide (TCO)

Interface

Résumé

Grace à leurs propriétés fonctionnelles prometteuses, l’étude des oxydes ternaires à base de vanadium déposés sous forme de couche mince ont suscité beaucoup d’intérêt et ont fait l’objet d’une activité intense en recherche dans le domaine optoélectronique et photovoltaïque.Durant ce travail de thèse, on a étudié dans un premier temps la possibilité d’utiliser les métaux fortement corrélés tel que SrVO3 comme étant un oxyde transparent et conducteur (TCO). Pour cela, on a étudié l’évolution des propriétés optoélectroniques en fonction des conditions de croissance du SrVO3 déposé sous forme de couche mince. Dans un deuxième temps, notre étude s’est focalisée sur la réalisation d’une ingénierie de cellule solaire basée sur les hétérostructures tout oxyde de différentes bandes interdites. Pour cela, par un choix judicieux de la largeur de bande interdite de certaines pérovskites, nous avons synthétisé le LaVO3, dont l’absorption est optimale dans le spectre solaire, sur un substrat SrTiO3 sous différentes conditions de croissance. Du point de vue optique, l’étude des hétérostructures LaVO3/SrTiO3 déposé à basse pression d’oxygène a mis en évidence que le film LaVO3 possède une bande interdite de 1.18 eV se situant dans la plage optimale pour le photovoltaïque. Du point de vue électrique, l’interface polaire LaVO3/ SrTiO3 génère une couche d’interface conductrice qui servira de contact électrique pour les cellules solaires. Un autre intérêt du LaVO3 est sa structure cristalline commune à un grand nombre d’oxydes possédant des différentes valeurs des bandes interdites. Pour réaliser notre système, nous avons choisi en particulier la pérovskite LaFeO3 ayant une bande interdite de 2.2 eV, supérieure à celle du LaVO3 afin d’améliorer l’absorption optique à haute énergie. Une fois les propriétés optoélectroniques ont été établies, nous avons synthétisé l’empilement LFO/LVO sur un substrat SrTiO3 à basse pression d’oxygène. L’évolution des propriétés de notre système en fonction de l’épaisseur de LaFeO3 déposé est également étudié, mais jusqu’à présent aucune propriété de photoconductivité n’a été obtenue.

Due to their promising functional properties, ternary oxide thin films based on Vanadium have gained much research interest in photovoltaic technologies.During this work, we first studied the possibility to use the strongly correlated metal SrVO3 as a transparent conducting oxide (TCO). For this reason, we have studied the optoelectronic properties of SrVO3 under different growth conditions. Second, our study was focused on making band gap-graded design solar cells based on oxide heterostructures. LaVO3 is particularly interesting due to its optical band gap localized in the optimal range for harvesting solar light. Accordingly, the LaVO3 was synthetized on SrTiO3 substrate under different growth conditions. Optical measurements reveal that LaVO3/SrTiO3 heterostructure grown at low oxygen pressure possess a band gap of 1.18 eV in the ideal energy range for photovoltaic. Electrical properties show that the interface LaVO3/ SrTiO3 is conducting, serving as an electrical contact for solar cells. Another interest of LaVO3 is its crystalline structure offering the possibility to combine it with other structurally compatible transition metal oxides with larger band gap such as LaFeO3 (2.2 eV) in order to enhance the optical absorption at high energy. Once the optoelectronic properties have been established, the LFO/LVO heterostructure was synthetized on SrTiO3 substrate at low oxygen pressure. The physical properties of our system have been also investigated for different LaFeO3 thickness but, to date, no photoconductivity was obtained.