Optimisation et modélisation des propriétés photoniques des cellules solaires à base d’hétérostructures des kesterites et des chalcopyrites

Abstract

Dans le domaine des dispositifs photovoltaïques (PV), les matériaux semi-conducteurs comme les chalcopyrites, à savoir CuGaSe2 (CGSe), CuInSe2 (CISe) et Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), ainsi que les kesterites, tels que Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) et Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), se distinguent par leur fort potentiel pour la fabrication de dispositifs PV à faible coût. Cependant, leur adoption à grande échelle reste limitée par plusieurs défis, notamment leur capacité réduite à exploiter pleinement le spectre solaire et la présence de défauts cristallins ou de phases secondaires, qui diminuent significativement l’efficacité des cellules solaires. Pour relever ces défis, cette thèse propose une approche théorique visant à optimiser les performances des cellules solaires basées sur ces matériaux. L’étude explore notamment l’intégration de nanostructures, avec une attention particulière portée à l’optimisation des performances à la limite radiative. Dans une première approche, des puits quantiques (QWs) en Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sont insérés dans une matrice de CuGaSe2 (CGSe), ce qui permet d’améliorer l’absorption photonique tout en conservant une tension en circuit ouvert élevée. Une seconde approche étudie l’intégration de QWs en Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) dans des cellules solaires à base de Cu2ZnSnS4, afin d’analyser l’influence de l’épaisseur, du nombre et de la composition des QWs sur les performances globales des dispositifs. Par ailleurs, le Cu2NiGeS4 (CNGS) est identifié comme un ma- tériau absorbant alternatif prometteur. Les résultats obtenus à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) révèlent une énergie de bande interdite de 1,78 eV et un coefficient d’absorption de 104 cm−1, mettant en évidence son efficacité pour capturer la lumière solaire. Les simulations menées avec le logiciel SCAPS-1D ont permis d’optimiser la structure des cellules solaires en CNGS, atteignant une efficacité remarquable de 20,05 %. Cette thèse met ainsi en lumière le rôle des nanostructures dans l’amélioration des perfor- mances des cellules solaires basées sur les matériaux chalcopyrites et kesterites. Elle identifie les conditions nécessaires pour optimiser l’efficacité des structures CGSe/Cu(In,Ga)Se2 et Cu2ZnSn(S,Se)4/Cu2ZnSnS4. En parallèle, elle souligne le potentiel du CNGS comme ma- tériau alternatif, contribuant au développement de technologies solaires plus performantes et respectueuses de l’environnement, et ouvrant de nouvelles perspectives dans le domaine des énergies renouvelables.