 Chalcogénures photovoltaïques |
| Participants: Catherine Guillot-Deudon, Alain Lafond, Yves Moëlo, Marc Souilah |
| Objectifs : |
Tous les spécialistes s'accordent sur la nécessité de diversifier les sources d'énergie et en particulier de développer les énergies renouvelables. Dans ce domaine, la production d'électricité par conversion photovoltaïque de l'énergie solaire (Fig. 1) a atteint un stade industriel en ce qui concerne les cellules à base de silicium mais cette technologie n’est pas encore compétitive avec les sources classiques. Une autre voie, basée sur les composés de structure chalcopyrite (dérivés de CuInSe2), est pleine de promesses. De bons rendements ont été atteints grâce à la réalisation de couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe, Fig. 2). Ce type de cellules fait actuellement l'objet de développements industriels intenses.
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Figure 1: Principe de l'effet photovoltaïque dans une jonction PN.
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Figure 2: Détail d'une cellule à base de chalcogénures montrant les couches qui réalisent la jonction électronique.
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Parallèlement à l’amélioration des performances de ces cellules, il est nécessaire de développer de nouveaux composés afin d’ouvrir des perspectives de coûts plus faibles.
Dans le groupe, plusieurs axes de recherche ont été retenus :
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CIGSe à grand gap (contrat ANR BB-CIGSe)
Les calculs prédisent que pour une cellule uni-jonction parfaite, le rendement de conversion de l'énergie solaire est maximal pour un gap de l'ordre de 1,5 eV. Dans la famille des semi-conducteurs CIGSe (CuIn1-xGaxSe2), le gap optique augmente avec la teneur en gallium c'est-à-dire lorsque x augmente, il est donc facile d'ajuster la composition pour obtenir les meilleures performances. Cependant, les meilleurs rendements sont obtenus lorsque le gap optique du matériau est voisin de 1,2 eV. Parmi les raisons avancées il pourrait y avoir des modifications structurales lorsque la teneur en gallium dépasse un certain seuil. Jusqu'à présent, l'étude de cette famille de composés a été principalement réalisée sur des couches minces. Les quelques études cristallographiques réalisées sur des matériaux massifs sont basées sur la diffraction des rayons X sur poudre et supposent que la structure chalcopyrite est inchangée dans tout le champ de composition CuInSe2-CuGaSe2. Nous avons décidé de reprendre cette l'étude cristallochimique de cette famille de composés.
Le type structural de CuInSe2 est décrit dans le groupe d'espace I-42d (a = 5.781 Å, c ≈ 2a) dans lequel les cations, en environnement tétraédrique, forment des plans de composition mixte Cu/In parallèles à (a,b) comme le montre la Fig. 3a. Or un autre arrangement est possible dans lequel les plans cationiques sont formés d'un seul type de cations, Cu+ ou In3+ (voir Fig. 3b). Cette différence peut induire des propriétés électroniques différentes. En fait, cette structure n'a pas été montrée dans le cas de CuInSe2 mais pour le composé isotype CuInS2 [2]. D'autre part la grande différence de rayons entre Ga3+ et In3+ peut induire un ordre entre les cations trivalents dans la structure CuIn1-xGaxSe2, surtout pour des teneurs élevées en gallium.
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Figure 3 : Structure de CIGSe. Type chalcopyrite (a) et type CuAu (b). M3+ = In/Ga |
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Recherche de nouveaux absorbeurs à base de chalcogénures sans indium.
Parce que l'indium est un élément rare et cher il sera difficile d'envisager de développer à très grande échelle les cellules basées sur CIGSe sur le long terme. Il est donc nécessaire de trouver de nouveaux composés comme matériaux absorbeurs. La piste explorée concerne des chalcogénures quaternaires de formule générale Cu/M/M'/Q (M,M'=Sn, Ge, Si; Q=S, Se). Les composés de structure dérivée de celle de Cu2SnS3 (voir Fig. 4) sont de bons candidats pour cette application. Parallèlement à l'étude cristallochimique de ces composés, des calculs de structures électroniques sont réalisés.
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Figure 4 : Structure de Cu2SnS3 (groupe d'espace : Cc). Comparaison avec Chalcopyrite. |
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Remplacement du cadmium dans la couche tampon.
Dans ce cas c'est le caractère toxique du cadmium qui pose un problème pour le développement de cette technologie. Le laboratoire des matériaux photovoltaïques (LAMP) de l'Université de Nantes a montré que l'utilisation de composés dérivés du sulfure d'indium est prometteuse. La diffusion de cuivre et de sodium depuis les couches sous-jacentes donne naissance à des phases dérivées de CuIn5S8. Nous étudions la cristallochimie de ces nouveaux composés afin de mieux comprendre leurs propriétés et d'améliorer le rendement des cellules préparées.
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- Structural and optical study of indium-free chalcogenides for photovoltaic applications
J.A. Cody, A. Lafond and C. Guillot-Deudon, 10th European Conference on Solid State Chemistry – Sheffield-England – 2005
- Modification of the crystal structure of Cu(In,Ga)Se2 photovoltaic absorbers with large Ga-content
M. Souilah, C. Guillot-Deudon and A. Lafond, 11th European Conference on Solid State Chemistry – Caen-France – 2007 |
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- Study of the new b-In2S3 containing Na thin films Part I : Synthesis and structural characterization of the material.
N. Barreau, J.C. Bernède, C. Deudon , L. Brohan and S. Marsillac,
Journal of crystal growth, 241, 4-14(2002)
- A study of bulk NaxCu1-xIn5S8 and its impact on the Cu(In,Ga)Se2/In2S3 interface of solar cells
N. Barreau, C. Guillot-Deudon, A. Lafond, S. Gall and J. Kessler
Solar Energy materials and solar cells 90, 1840-1848 (2006)
- Syntheses and X-ray diffraction, photochemical and optical characterization of Cu2SixSn1-xS3 (0.4<x<0.6) for photovoltaic applications
A. Lafond, J.A. Cody, M. Souilah, C. Guillot-Deudon, R. Kiebach and W. Bensch
Inorg. Chem. 46, 1502-1506 (2007).
- Structural study and electronic band structure investigations of the solid solution NaxCu1‑xIn5S8 and its impact on the Cu(In,Ga)Se2/In2S3 interface of solar cells
A. Lafond, C. Guillot-Deudon, S. Harel, A. Mokrani, N. Barreau, S. Gall and J. Kessler
Thin Solid Films 515 (2007) 6020–6023Contrats ANR BB-CIGSe 2007-2009
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