Couches minces de doubles pérovskite Bi2FeCrO6 pour des applications en photovoltaïque

Double perovskite Bi2FeCrO6 thin films for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Laurianne Wendling
• Direction : Silviu-Mihail Colis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des polymères - chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Viart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Lemée, Arnaud Fouchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Pérovskites

Couches minces

Mots clés libres

Ferroélectricité

BFCO

Contrainte

Photovoltaïque

Polarisation

Ferroelectricity

BFCO

Strain

Photovoltaic

Polarization

Résumé

Si les matériaux ferroélectriques sont largement exploités en microélectronique en tant que diélectriques, des études envisagent également leur utilisation dans des domaines tels que le stockage d’information entre autre et, plus récemment en particulier les cellules photovoltaïques (PV). L’objectif de la thèse est d’élaborer des cellules photovoltaïques à l’aide du Bi2FeCrO6 (BFCO), un matériau ferroélectrique dont la largeur de la bande interdite autorise une absorption efficace de la lumière UV et visible. L’enjeux est d’améliorer les propriétés optoélectroniques de ce matériau qui dépendent fortement de l’ordre cationique Fe-Cr. Cet ordre peut être contrôlé en modulant les conditions de dépôt et notamment la fréquence des tirs lasers lors de la croissance de couches minces par ablation laser pulsé. Une étude en fonction des conditions de croissance du BFCO sur des substrats de SrTiO3 et Nb:SrTiO3 a été effectuée. Les analyses structurales (DRX), optiques (UV-Visible) et électriques (PFM, C-AFM) effectuées montrent que les couches obtenues sont épitaxiées avec une répartition homogène des atomes de Fe et Cr au sein de la couche mais restent néanmoins fortement désordonnées. L’étude des propriétés ferroélectriques montre une direction de polarisation préférentielle au sein du matériau. Des dispositifs basés sur ces couches de BFCO ont également été fabriqué afin de tester les propriétés photovoltaïques à une échelle macroscopique. La tension en circuit ouvert de 50 mV reste encore trop faible pour la nouvelle génération de cellules photovoltaïque.

While ferroelectric materials are widely exploited in microelectronics as dielectrics, studies also consider their use in areas such as information storage, and in particular photovoltaic (PV) cells. The objective of the thesis is to develop photovoltaic cells using Bi2FeCrO6 (BFCO), a ferroelectric material with a band gap that allows efficient absorption of UV and visible light. The challenge is to improve the optoelectronic properties of this material, which are strongly dependent on the Fe-Cr cationic order. This order can be controlled by modulating the deposition conditions and in particular the frequency of the laser shots during the growth of thin films by pulsed laser ablation. A study on the growth conditions of BFCO on SrTiO3 and Nb:SrTiO3 substrates was carried out. The structural (DRX), optical (UV-Visible) and electrical (PFM, C-AFM) analyses carried out show that the layers obtained are epitaxial with a homogeneous distribution of Fe and Cr atoms within the layer, but are nevertheless highly disordered. The study of the ferroelectric properties shows a preferential polarization direction within the material. depending on the polarization of the material and the illumination. Devices based on these BFCO layers have also been fabricated to test the photovoltaic properties on a macroscopic scale. The open circuit voltage of 50 mV is still too low for the new generation of photovoltaic cells.