Elaboration de nouveaux matériaux en films minces par pulvérisation cathodique pour cellules solaires

Growth of earth abundant material based thin films by sputtering technique for photovoltaics

• Auteur / Autrice : Ngoc Kim Thanh Bui
• Direction : Jean-Pierre Vilcot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, photonique
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Christophe Lethien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Halbwax, Wilfried Favre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mireille Richard-Plouet, Philippe Daniel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodiodes

Hall, Effet

Spectroscopie ultraviolette

Spectroscopie des rayons X

Rayons X -- Diffraction

Pulvérisation cathodique

Couches minces semiconductrices

Propriétés optiques

Propriétés électriques

Nitrures des métaux de transition

Matériaux

Cellules photoélectriques

Mots clés libres

Nitrure de zinc et d'étain

Matériaux abondants

Zinc tin nitride

Magnetron sputtering

Parametric study

Earth-abundant materials

Photovoltaics

Résumé

Les résultats théoriques publiés sur le matériau ZnSnN2 le font apparaitre comme un matériau semiconducteur à grand gap. Dans ce travail, ses qualités de matériau abondant et à faible empreinte écologique nous ont particulièrement intéressés, en particulier, pour son utilisation en tant que matériau inorganique en film mince pour la réalisation de l'absorbeur de la cellule supérieure d'une cellule tandem dont la cellule inférieure serait en silicium. Nous avons réalisé une étude paramétrique de l'influence des conditions de dépôt, atmosphère, pression, température par pulvérisation cathodique et de la composition ainsi obtenue sur les propriétés cristallines, électriques et optiques des films. La cristallographie a été analysée par diffraction de rayons X (DRX) et la composition par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX). Des mesures par Effet Hall ont permis d'obtenir les caractéristiques électriques et la spectroscopie UV-Visible l'évaluation du gap optique. En fonctions des paramètres de dépôt, de grandes variations à la fois sur la densité de porteurs, de 1017 to of 1020 cm-3, et sur la valeur du gap optique, de 1.6 to 2.3 eV ont été obtenues. Des structures de type photoconducteur et photodiode ont été fabriquées pour évaluer les propriétés photoélectriques. Bien qu'un photocourant ait pu être mesuré, aucune fonctionnalité de type "photodiode" n'a pour l'instant pu être mise en évidence.

By literature reports, ZnSnN2 has been pointed out as a potential high bandgap semiconductor material. We particularly investigated on it as an earth abundant and low environmental footprint material for photovoltaic application, and more specifically as a thin film inorganic top absorber for tandem cells based on silicon bottom cell. In this work, ZnSnN2 has been deposited using magnetron sputtering and a parametric study of the influence of its deposition parameters on the material properties has been carried out. The effect of sputtering atmosphere, pressure, temperature and composition were so investigated. The crystal structure of the films has been characterized by X-ray diffraction (XRD) and their composition by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Electrical characterization has been made using Hall Effect measurements and optical properties determined from UV-Vis spectroscopy. Wide variations of carrier density and optical bandgap have been experimentally observed, from 1017 to of 1020 cm-3 and from 1.6 to 2.3 eV, respectively. The photoelectric characteristics of ZnSnN2 have been assessed by fabricating photoconductor and photodiode structures. Although some photocurrent could have been retrieved under 1 sun solar illumination, no photodiode behavior has been obtained.