Thèse soutenue

CuCrO2 hors stoechiométrie comme semi-conducteur transparent de type p pour le photovoltaïque et l'électronique transparente

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Auteur / Autrice : Lorenzo Bottiglieri
Direction : Jean-Luc DeschanvresCarmen Jimenez
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
Date : Soutenance le 28/02/2022
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
Examinateurs / Examinatrices : Delfina Muñoz, Ngoc Duy Nguyen, Joao Avelas Resende
Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Barnabe, Pere Roca i Cabarrocas

Résumé

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La percée de l'électronique transparente est entravée par l’absence de semi-conducteurs transparent de type p avec une conductivité électrique élevée, limitant la conception de dispositifs optoélectroniques et photovoltaïques transparents. Dans ce cadre, l'oxyde de cuivre-chrome (CuCrO2) se présente comme un candidat prometteur grâce à ses propriétés optiques, électriques et de fabrication. Il est bien connu que la composition du film joue un rôle majeur dans ses propriétés, et que les défauts crées grâce à l’écart de la stichométrie peuvent agir comme dopant. Ce travail a porté sur la synthèse de couches minces de CuCrO2 hors stœchiométrie par CVD à pression ambient et sur leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques transparents. L'effet de la température de dépôt a été étudié pour maximiser la conductivité électrique et la transparence des films minces. La stœchiométrie du CuCrO2 a été ajustée pour améliorer les propriétés optique et électroniques du matériau. Nous rapportons la synthèse de films composé de la phase de CuCrO2 malgré une composition riche en Cu, caractérisés par une faible résistivité, autour de 0,1 Ω.cm, et une large bande interdite de 3,15 eV. Il a été démontré que la synthèse réalisée dans un environnement pauvre en oxygène empêche la formation de CuO, préjudiciable aux propriétés des films. Cela permet le dépôt de films composés de Cu2O et CuCrO2. Ces films nano composites sont caractérisés par une mobilité des porteurs de 0,65 cm² V-1 s-1, supérieure à celle des films de CuCrO2 riches en Cu, résultant en la valeur de résistivité la plus faible de 0,02 Ω.cm de cette étude.Des couches minces de CuCrO2 hors stœchiométrie ont été intégrées avec succès en tant que couche pour le transport de trous (HTL) dans les cellules solaires organiques à base de PBDD4T-2F:PC70BM avec architecture verre/anode/HTL/couche organique active/ETL /cathode. L'effet de la stœchiométrie des films de CuCrO2, variant entre 40 % et 100 %, sur le rendement de conversion de puissance (PCE) a été étudié. Le PCE augmente pour la couche de CuCrO2 riche en Cu sous forme de HTL. Le rapport cationique optimal a été atteint pour Cu/(Cu+Cr) = 65 %, avec un PCE correspondant de 3,1 %. Cette composition correspond au meilleur compromis entre les propriétés optiques et électriques, Les dispositifs intégrant les oxydes présentent une stabilité dans des conditions atmosphériques qui est le double de celle des dispositifs à base de PEDOT:PSS.La réutilisabilité des substrats fonctionnalisés, verre/ITO/CuCrO2, a été testée par l'élimination de la partie supérieure Al/ETL/couche active grâce à une simple méthode chimique. Cela a été suivi par l'assemblage de nouvelles cellules au-dessus du substrat/ITO/CuCrO2. Les propriétés du HTL ainsi que les performances des dispositifs n'ont pas été altérées par cette procédure. Cela réutilisation aidera au développement de dispositifs photovoltaïques organiques performants et durables.Les couches minces de CuCrO2 hors stœchiométrie ont été également intégrées, en combinaison avec du ZnO, dans une jonction p-n planaire. Cette diode transparente a été entièrement synthétisée par des techniques de dépôt chimique à basse température et pression atmosphérique. L'architecture du dispositif a été optimisée grâce au réglage des paramètres de dépôt pour les oxydes. La diode optimisée, correspondant à un nano composites Cu2O+CuCrO2 couplé à du ZnO polycristalline, montre un comportement redresseur extrêmement élevé, Ion/Ioff (±2.5V) autour de 100000, le plus élevé jamais rapporté, avec une transmittance dans le visible de 75%. Le montage de la caractéristique de la diode a conduit à des valeurs de mise sous tension de 1,3 V, un facteur d'idéalité de 3,15, une résistance shunt de 640 kohm.cm-2 et une résistance série de 340 kohm.cm-2. Les performances élevées et les avantages de fabrication de ces dispositifs sont extrêmement attrayants pour l'électronique transparente.