Etude et élaboration de matériaux pérovskites pour le photovoltaïque, corrélation entre des techniques ab-initio et des résultats expérimentaux

Abstract

Dans les présents travaux, nous avons étudié l’effet du dopage par des métaux de transition sur les propriétés physiques de couches minces de BaSnO3. La fabrication de nos couches a été faite par le procédé sol-gel avec la méthode spin-coating. Les acétates d’étain, de baryum, de cobalt et le protoxyde de zirconium (IV) ont été utilisés comme précurseurs pour préparer nos couches. Ces couches ont été déposées sur des substrats MgO. Afin d’étudier les propriétés physiques des couches minces, plusieurs techniques de caractérisions ont été utilisées : la diffraction des rayons X (DRX) avec la méthode d’affinement Rietveld pour déterminer les paramètres structuraux, la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie à force atomique (AFM) pour étudier la morphologie de la surface et la spectroscopie UV-Visible pour mesurer la transmittance. De plus, les propriétés structurales, électroniques et optiques des composés BaSn1-xTMxO3 (TM= Co et Zr) avec différentes concentrations (x = 0 %, 12.5 %, 25 %, 37.5 % et 50 %) ont été étudiés dans le cadre de calculs de premier principe en utilisant la méthode FP-LAPW (Full Potential Linearized Augmented Plane Wave) basée sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) implantée dans le logiciel WIEN2K. Ces différentes études ont montré que le dopage aux métaux de transition (TM= Co et Zr) peut améliorer les propriétés physiques de BaSnO3. D’une part, le dopage au cobalt améliore l’absorption optique du BaSnO3 dans la région UV-visible du spectre solaire, dans un rapport allant jusqu’à 7,5 pour le dopage à 37,5 % de Co. De plus, le dopage au cobalt permet de faire passer la valeur du gap optique sous la barre de 2 eV (démonstration expérimentale). Ce matériau pourrait donc être un candidat prometteur pour les couches absorbantes dédiées aux cellules photovoltaïques. D’autre part, le dopage au zirconium améliore la transparence optique du BaSnO3 avec une variation de + 16 % pour le dopage à 50 %. Ce matériau pourrait être utilisé comme oxyde transparent dans les applications photovoltaïques. Nous avons obtenu des valeurs de gap d’énergie (3 à 4 eV) plus grandes que celles de l’ITO (3 à 3,5 eV en film mince), qui est une référence pour les oxydes transparents à conductivité électrique élevée.