 Dépôt de chalcogénures par co-évaporation |
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| La co-évaporation du Cu(In,Ga)Se2 : |
Le Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) est un des matériaux les plus prometteurs pour le développement des cellules photovoltaïques en couches minces. Parmi les diverses techniques de synthèse existantes, les matériaux CIGSe de meilleure qualité (du point de vue du fonctionnement des dispositifs) sont obtenus par co-évaporation. Celle-ci consiste en l’évaporation simultanée et contrôlée, sous un vide poussé, de tous les éléments constituant la couche, et ce sur un substrat suffisamment chauffé pour en assurer la croissance cristalline. Généralement, le substrat employé est en verre sodo-calcique recouvert d'une couche de molybdène servant de contact arrière. Une des caractéristiques du CIGSe est la qualité cristalline obtenue par une croissance riche en cuivre (par rapport à la stoechiométrie), alors que les dispositifs fonctionnels requièrent une couche finale légèrement pauvre en cuivre. Une méthode qui a fait ses preuves consiste à effectuer la croissance initiale du dépôt en conditions Cu-riche, mais ensuite de l’appauvrir en cuivre jusqu’à obtention d’une couche globalement Cu-pauvre. Afin de savoir, in situ, si la couche est Cu-riche ou Cu-pauvre une technique appelée End Point Detection (EPD) est mise en oeuvre. Le EDP utilise le changement d'émissivité de la couche en fonction de sa composition, lorsque celle-ci transite d’un état Cu-riche à un état Cu-pauvre, l'émissivité de la couche diminue. Si la puissance de chauffe délivrée au substrat est imposée et constante, alors la température du substrat augmente lors de la transition Cu-riche / Cu-pauvre. Inversement, si c’est la température qui est imposée et constante, la puissance de chauffe doit alors diminuer.
Dans le groupe, nous avons construit un premier système de co-évaporation équipé de quatre sources à effet Joule de type creuset et d’un porte-substrats chauffé par lampes infrarouge et où la température du substrat est mesurée en face arrière par un thermocouple de contact. Après un calibrage approximatif des taux d’évaporation des sources, mais suffisant pour assurer un rapport Ga/(Ga+In) exploitable ainsi qu’une phase de croissance initiale en conditions Cu-riche, nous exploitons le principe du EDP en conditions de puissance de chauffe fixe. A ce jour, et en s’aidant du gradient latéral de composition obtenu du fait de l’écart entre les sources, nous avons démontré l’obtention de couches de CuInSe2 avec des compositions adéquates pour espérer réaliser des dispositifs de rendements corrects.
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| Nouveaux matériaux pour couches absorbantes : |
La thématique des matériaux nouveaux se scindent en 2 grandes recherches à l’heure actuelle : les nouveaux matériaux pour les couches absorbantes et ceux pour les couches tampons.
- Le Cu(In,Al)Se2 : l’espoir d’un grand gap
Ces travaux ont été initiés par une collaboration entre le laboratoire et l’Institute of Energy Conversion (USA). Une des raisons pour s’intéresser au Cu(In,Al)Se2 (CIASe) est la limitation du Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) en ce qui concerne l’évolution de la tension de circuit ouvert (Voc) lorsque la bande interdite (gap) augmente. En remplaçant dans le CIGSe le gallium par l’aluminium on peut (1) obtenir une variation plus importante du gap et (2) obtenir une même valeur du gap avec une quantité moindre d’aluminium que de gallium. Par la co-évaporation des 4 éléments du CIASe, des photopiles ayant des rendements de 16,9% pour un gap de Eg=1,12 eV ont été réalisées.
Nos travaux portant sur le CIASe ont débuté en septembre 2002. La 1ère méthode de dépôt utilisée a consisté en une co-évaporation de cuivre, d’indium et de sélénium (à partir de creusets ouverts) avec 2 flashs d’aluminium au cours du dépôt. Des problèmes d’oxydation et de localisation de l’aluminium ont été rencontrés, mais des cellules ayant des rendements de 5,5 % ont néanmoins été réalisés. La 2ème méthode employée utilisait le dépôt séquentiel de (Cu,Al) et d’indium, suivi d’un dépôt de sélénium et d’un recuit. Là aussi les résultats ont été mitigés avec l’obtention dans certains cas d’une couche monophasée de Cu(In,Al)Se2, mais dans d’autres cas d’une couche multiphasée. Aucun paramètre de contrôle quant à l’obtention ou non de cette multiphase n’a été à ce jour identifiée.
Ainsi, même si le potentiel du Cu(In,Al)Se2 a été démontré, il n’est pas à ce jour déposé de manière adaptée à l’obtention de hauts rendements. Nous nous dirigeons donc vers une 3ème méthode de dépôt, plus exigeante technologiquement et financièrement, mais qui a fait ses preuves : la co-évaporation des 4 éléments.
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| Les couches tampon dérivées d’In2S3 |
Les dispositifs à base de couches minces à structure chalcopyrite de type Cu(In,Ga)(Se,S)2 nécessite une couche tampon entre la couche absorbante et l'oxyde transparent conducteur. Le matériau utilisé à cette fin, donnant les meilleurs résultats de façon reproductive, est le CdS déposé par bain chimique. La présence de cadmium au sein de ce dernier a motivé la communauté internationale à vouloir substituer le CdS par un autre matériau dépourvu d'éléments indésirables pour l'environnement. Si des rendements aussi élevés que ceux atteints avec le CdS ont été obtenus en utilisant des composés comme le Zn(S,O), la reproductibilité des performances ainsi que le développement de leur procédé de synthèse à grande échelle restent à être démontrés. L'un des freins à la mise au point de dispositifs performants de façon reproductible est le manque de compréhension du rôle de la couche tampon et par conséquent la synthèse du matériau idéal reste relativement hasardeuse.
Notre groupe participe à l'effort international de substitution du CdS par la synthèse de couches tampons dérivées du sulfure d'indium par évaporation thermique. Nous prospectons ainsi la faisabilité de fabrication de photopiles exemptes de cadmium par procédé tout PVD. Les cellules à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) fabriquées en utilisant le sulfure d'indium sans additif comme couche tampon montrent une limitation de leurs rendements due à de faibles tensions de circuit ouvert (Voc). Les simulations de dispositifs effectuées ont montré que ces faibles Voc peuvent être dus à une discontinuité des bandes de conduction à l'interface de l'hétérojonction CIGSe/sulfure d'indium, la bande de conduction de la couche tampon étant énergétiquement plus basse que celle de la couche absorbante. Afin d'améliorer les performances des cellules, via l'augmentation du Voc, il semble, d'après notre hypothèse, nécessaire de diminuer cette discontinuité. Aussi, de l'oxygène a été substitué au soufre du sulfure d'indium au sein des dispositifs. Une augmentation du Voc proche de 100 mV a pu être observée de façon reproductible.
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| Moyens |
Notre groupe est spécialisé dans le dépôt de couches minces par voie physique et chimique pour applications au domaine des cellules solaires ainsi que dans la caractérisation de ces dispositifs
Un système de dépôt par bain chimique. Il nous permet de déposer des couches de semiconducteurs tels que le CdS qui sert de couches tampons dans nos photopiles.
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| Equipements |
Deux bancs de mesures électriques :
- Conductivité effet Hall, Conductivité pouvoir thermoélectrique
- Un banc de mesure I-V (obscurité/illumination) équipé d’un simulateur solaire
- Deux bancs de mesure C-V (de 100Hz à 10 Mhz)
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