Fabien Pineau

Jeudi 20 novembre à 14h00 - Synthèse et étude de cellules solaires à base de couches minces Cu(In,Ga)S₂ élaborées sur substrats transparents pour application tandem

Résumé :

Les cellules solaires à base de couches minces de Cu(In,Ga)S₂ (CIGSu) à large bande interdite (~1.6−1.7 eV) constituent d’excellents candidats de cellules supérieures pour utilisation en architecture tandem avec une cellule inférieure à base de silicium cristallin, grâce à leur énergie de bande interdite ajustable et à leur compatibilité avec les procédés de co-évaporation. Leur croissance sur contacts arrière transparents permet leur intégration en tandem, étudiée ici sous illumination arrière. Dans ce travail, des absorbeurs CIGSu sont déposés par un procédé de co-évaporation en trois étapes sur de l’oxyde d’indium et d’étain (ITO). La première partie démontre la faisabilité d’une croissance directe sur ITO, accompagnée de la formation d’une fine couche d’oxyde de gallium à l’interface CIGSu/ITO. La seconde montre que, sous illumination arrière, la collecte des porteurs photogénérés dépend fortement de l’épaisseur de l’absorbeur, cette dernière influençant indirectement la répartition du gallium en raison de temps de dépôt plus longs. Des analyses complémentaires révèlent qu’un enrichissement en gallium proche de l’interface arrière induit une courbure de bande positive et un effet de champ limitant les recombinaisons. Enfin, l’intégration en tandem dans des configurations à deux et à quatre terminaux confirme la compatibilité des cellules CIGSu/ITO avec le silicium tout en discutant de ses limitations et de possibles voies d’améliorations.

L’ensemble de ces résultats établit la faisabilité de la croissance à haute température sur électrodes transparentes et propose des lignes directrices pour le développement de cellules supérieures CIGSu efficaces, adaptées aux tandems silicium.

Mots clés : Cu(In,Ga)S₂, couche mince, cellule solaire, tandem, semi-transparent

Synthesis and investigation of pure-sulphide Cu(In,Ga)S₂ thin film based solar cells fabricated on transparent substrates for tandem application

Abstract :

Cu(In,Ga)S₂ (CIGSu) thin-film solar cells are promising top-cell candidates for tandem integration with silicon, thanks to their tunable wide bandgap (~1.6−1.7 eV) and compatibility with co-evaporation processes. Their development on transparent back contacts (TBCs) enables integration into tandem architectures, and in this work, they are investigated under rear-side illumination. In this thesis, pure-sulphide CIGSu absorbers are deposited by a 3-stages co-evaporation process on indium tin oxide (ITO) substrates and investigated through complementary studies. The first demonstrates the feasibility of direct growth on ITO and demonstrates the formation of a gallium oxide layer at the CIGSu/ITO interface. The second investigates rear-side operation, showing that charge collection under rear-side illumination strongly depends on the absorber thickness, which in turn indirectly influences the gallium distribution due to longer deposition times. Further investigation reveals that Ga enrichment near the back interface induces a positive band bending and creates a back-surface-field that reduces recombination. The third demonstrates tandem integration in both two- and four-terminal configurations. The results confirm the compatibility of CIGSu/ITO top cells with silicon and highlight their limitations and paths for further improvements.

Overall, this work demonstrates the feasibility of high-temperature CIGSu growth on transparent electrodes and establishes guidelines for efficient, wide-bandgap top cells compatible with silicon tandems.

Keywords : Cu(In,Ga)S₂, thin film, solar cell, tandem, semi-transparent