Élaboration de couches minces de Cu2ZnSnS4 par ablation laser pulsée et leur intégration en cellules solaires à haut rendement de photo conversion

Abstract

Le but de ce travail de thèse est d’élaborer des films minces de Cu2ZnSnS4 (CZTS) par ablation laser pulsée (ALP), l’optimisation de leurs propriétés physiques ainsi que leur intégration dans des dispositifs photovoltaïques (PVs) à haut rendement de photoconversion. Dans un premier temps, des films de CZTS ont été élaborés par l’ALP (248 nm, 14 ns, 20 Hz) à la température ambiante suivi d’un recuit à différentes températures sous une atmosphère d’argon. Les résultats obtenus, à partir des caractérisations structurales, morphologiques, optiques et électriques, ont permis d’identifier 300°C comme la température optimale pour la croissance de films de CZTS de bonne qualité cristalline et ayant les propriétés optoélectroniques appropriées pour la conversion photovoltaïque. Dans un second temps et afin de mieux contrôler la composition des films de CZTS, nous avons développé une approche originale, basée sur l’ablation concomitante de la cible de CZTS et de bandes de Zn. En effet, la variation du rapport surfacique des bandes de Zn par rapport à la cible de CZTS (RZn/CZTS), a permis d’élaborer des films de CZTS avec différentes compositions. Ceci nous a permis de diminuer le rapport des concentrations [𝐶𝑢] ([𝑍𝑛]+[𝑆𝑛]) en fonction de RZn/CZTS. Ensuite, ces films de CZTS avec différentes compositions ont été déposés sur du silicium, puis intégrés en dispositifs photovoltaïques (PV) de type ITO/p-CZTS/n-Si/Al, après les dépôts d’électrodes avant (ITO) et arrière (Al) par pulvérisation-magétron. Ces dispositifs réalisés sur les substrats de silicium plat ont donné des rendements de photoconversion de puissance de 2,2 %. D’un autre côté, les plaquettes de n-Si ont été nanostructurées en formant des nanofils de silicium à leur surface au moyen de la gravure chimique assistée par métal dans le but d’augmenter l’étendue de l’interface entre le n-Si et le p-CZTS. Ainsi, des films de CZTS ont été déposés par ALP sur les réseaux de nanofils de Si, pour la première fois. En optimisant à la fois la longueur des nanofils de Si et l'épaisseur du film de CZTS, nous avons pu atteindre un rendement de conversion de puissance de 5,5%, considéré jusqu'à présent comme le record mondial pour ce type de dispositifs. Enfin, nous avons également étudié l'effet de la température du substrat de films CZTS déposés par PLD sur des substrats de Mo, et avons suivi leur performance photovoltaïque, après les avoir intégrés en cellules solaires multicouches (du type : SLG/Mo/CZTS/CdS/ZnO/ITO). À une température de dépôt de 400°C, ces cellules PV ont livré une efficacité de conversion de puissance de 3,3%