etude par la méthode dft des oxydes conducteurs transparents n-zno, p-zno et nanostructures zno pour des applications en photovoltaïque

Abstract

L'objectif de cette thèse est d’analyser les propriétés structurales, électroniques, optiques et électriques du matériau ZnO massif et nanostructuré pur et dopé “type n” et “type p” pour obtenir un matériau fonctionnalisé offrant la possibilité de contribuer au développement de la filière solaire photovoltaïque (PV). L’étude a été menée dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et de la théorie du transport de Boltzmann. L’étude des propriétés des trois phases wurtzite, rocksalt et zinc blende de ZnO pur avec différentes approximations de fonctionnelles d’échange et corrélation GGA et mBJ a montré la bonne transparence de ces structures dans le visible et leur faible conductivité électrique. Le dopage de ZnO par les éléments du groupe III Al, Ga et In a montré une amélioration des propriétés optiques par dopage Al et électrique par dopage au Ga. Le codopage de ZnO avec l’Al et le Ga a permis pour des concentrations bien optimisées l’obtention de propriétés électriques et optiques adéquates répondant aux exigences de son application en photovoltaïque. Le dopage de ZnO par l’élément alcalino-terreux Mg a montré que l’insertion du Mg ne détériore pas la structure hexagonale de ZnO mais en revanche réduit la conductivité électrique avec une modulation du gap optique qui shift vers le bleu. Le codopage de ZnO par les éléments Mg et Al a montré une nette amélioration de la conductivité électrique mais aussi une modulation du gap avec un élargissement du spectre de transmission vers l’UV favorisant ce type de matériau pour des applications aussi bien en optoélectronique qu’en photovoltaïque. Le dopage de ZnO par le Li a été abordé pour essayer d’élucider et de comprendre la problématique majeure rencontrée expérimentalement pour obtenir un dopage de type p. Une étude de stabilité d’insertion du Li dans les sites substitutionnels ainsi que interstitiels (octaédrique ou tétraédrique) a été faite. Il a été montré que le site octaédrique est la position la plus favorable énergétiquement pour l’insertion du Li mais la configuration obtenue d’un point de vue structure électronique est de type n. Ce résultat pourra expliquer la difficulté rencontré lors de l’élaboration de ZnO dopé Li qui se transforme rapidement du type p au type n. Aussi la strcuture de bande de la substitution du Zn par le Li a montré une conductivité de type p s’accompagnant d’une augmentation de l’énergie de formation et donc d’une instabilité du système. Cette instabilité a été remédié par le codopage (2Li,F) mais la conductivité électrique dans ce cas se trouve diminuée comparée à celle de ZnO dopé uniquement Li. Le calcul des propriétés électroniques des nanostructures 2D pures et dopées Mg montre un élargissement de la bande interdite d’environ 50% par rapport à celui de ZnO massif. L’absorption et la réflectivité de ces nanostructures se trouvent diminuer reflétant leur bonne transmittance. Ces propriétés constituent un atout pour ces nanostructures 2D de ZnO pour leurs utilisations dans les dispositifs pour l’optoélectronique et le photovoltaïque.