Électrodes à base d'oxyde d'étain dopé fluor (FTO) nanostructurées pour des applications en photovoltaïque

Nanostructured fluorine-doped tin oxide (FTO) electrodes for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Soraya Lakhdar Chaouche
• Direction : Stéphane Daniele, Alain Fave, Carmen Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux – Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 18/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Léonard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Daniele, Carmen Jimenez, Michel Aillerie, Thomas Fix, Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Aillerie, Thomas Fix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes de dioxyde d'étain

Matériaux nanostructurés

Électrodes transparentes

Innovation

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

Electrodes

Oxyde d'étain

Photovoltaïque

Haze

Nanostructuration

Electrodes

Tin oxyde

Photovoltaic

Haze factor

Nanostructuration

Abs

Résumé

Avec la demande croissante d'énergie à laquelle notre planète est confrontée, la technologie photovoltaïque (PV) qui consiste à convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique a connu un développement croissant. L’objectif de cette thèse est de développer des électrodes transparentes, avec des diffusivités élevées, et de les intégrer dans des cellules solaires. Les électrodes transparentes se présentent sous forme de couches minces d'oxydes ayant une transparence élevée dans la gamme de la lumière visible et une bonne conductivité électrique (Oxydes Transparents Conducteurs TCO), elles peuvent également présenter une fonction supplémentaire qui est la diffusion de lumière caractérisée par le facteur de haze pour améliorer l'absorption optique (grâce à une augmentation du chemin optique). Une manière d'obtenir une telle diffusion de la lumière consiste à texturer les TCO, c'est-à-dire augmenter la rugosité de surface afin d'améliorer le rapport de la transmittance diffuse de la lumière tout en conservant une valeur élevée de la transmittance totale ainsi qu'une faible résistance électrique. Dans ce travail, nous présenterons le développement d’électrodes transparentes nanostructurées et diffuses à base d’oxyde d’étain dopé au fluor (D-FTO) afin d'augmenter la diffusion de la lumière. Ces électrodes nanostructurées sont obtenues en combinant des dépôts successifs de nanostructures périodiques d’oxyde de zinc et des couches minces optimisées d’oxyde d’étain dopé au fluor FTO élaborées par pyrolyse d’aérosol ou AACVD (Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition). La fabrication des nanostructures d’oxyde de zinc est réalisée par deux différentes approches chimiques: i) dépôt en phase liquide basé sur une solution d'acétate de Zinc ii) dépôt en phase vapeur par ALD, en utilisant un gabarit de nanosphéres de polystyrène obtenu par lithographie NLS. Une étude détaillée de la morphologie, des propriétés optiques et électriques des nanostructures développées, a montré des valeurs de transmittance totale comprises entre 70-80% et une résistance électrique < 15Ω/sq, satisfaisant ainsi les exigences requises pour l’utilisation des électrodes dans dispositifs photovoltaïques. Une évolution conséquente du facteur de haze allant jusqu’à 60 % a été également constatée. Nous aborderons également l'intégration de ces électrodes dans des cellules solaires dispositifs solaires type couches minces et silicium cristallin, l'effet du facteur de haze sur la performance des dispositifs solaires a été étudié.

Transparent electrodes are an essential component in most thin film solar cells as current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. Generally, they consist in an oxide thin layer presenting high transparency and good electrical conductivity. They can also present an additional function of haziness to improve optical absorption (through an increase of optical path) when integrated in thin films solar cells. A way to obtain such light scattering is to texture the TCOs, i.e. by increasing the surface roughness in order to enhance the ratio of the diffuse transmittance while keeping a high value of total transmittance as well as low electrical resistance. In this work, we will present the elaborations of new nanostructured and diffuse electrodes of fluorine doped SnO2 (D-FTO) in order to increase the light scattering in the visible range. This nanocomposite is obtained by combining successive depositions of periodic nano-structures of ZnO and optimized thin layers of FTO elaborated by Aerosol Assisted Chemical Vapor Depostion. The control of the ZnO nanostructure fabrication is made by using polystyrene nanospheres template of 500 nm diameter as template, recovered by a thin ZnO layer obtained by different chemical approaches: i) liquid method base on a Zn acetate solution ii) vapor method by ALD. Herein, we will compare the morphology and hazing character of the nanostructures and we will address the use of such composite nanostructured ZnO materials as TCO for photovoltaic devices. We will demonstrate how and why such nanostructured D-FTO materials reach requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices: 80% total transmittance with a high haze factor (50%) in the visible region, keeping a suitable sheet resistance value of 10-15 Ω/sq.