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Principe de fonctionnement d’une cellule solaire
Le principe de fonctionnement des cellules solaires à base de CIGSe repose sur l’effet photovoltaïque, observé pour la première fois par H. Becquerel en 1839, qui permet de transformer directement l’énergie lumineuse en énergie électrique . Une cellule solaire fonctionne sur trois principes généreux :
La conversion de photons absorbés en paire électron-trou par transfert énergétique, La séparation des porteurs de charges. Et enfin l’extraction des porteurs photogénérés vers le circuit extérieur. En général, dans la plupart des dispositifs, cette conversion est effectuée par un semi-conducteur appelé absorbeur. L’absorption d’un matériau se mesure par sa capacité à assimiler l’énergie des photons incidents. Si l’énergie d’un photon (h𝜈) incident est supérieure ou égale à la largeur de la bande interdite (Eg) du semi-conducteur , l’électron peut acquérir suffisamment d’énergie en absorbant le photon pour passer de la bande de valence (BV) à la bande de conduction (BC) et laisser derrière lui un « trou » au niveau de la BV( vacance de charge +e). Après leur libération, les porteurs de charges doivent être séparés avant, par l’intermédiaire d’un champ électrique crée grâce à une jonction p-n.
Les différents Types de cellules solaires photovoltaïques en couche mince
Pour améliorer le rendement des systèmes photovoltaïques et suivant leur utilisation, les fabricants ont conçu plusieurs types de cellules solaires comme par exemple les cellules de silicium amorphe, les cellules d’arséniure de gallium, etc.
Les cellules solaires de silicium amorphe : La cellule solaire de silicium amorphe contient une couche de semiconducteur intrinsèque, séparant deux régions. L’une des deux régions est dopé de type p et l’autre de type n. La génération des électrons et trous se produit principalement dans la zone de charge et d’espace. Grâce au champ électrique intégré, il y a séparation des porteurs de charge, ce qui confère un avantage à cette structure. De ce fait elle augmente l’efficacité de collection. Souvent le contact avant est constitué par un oxyde transparent conducteur (TCO) et le contact arrière est constitué d’un métal.
Les cellules d’arséniure de gallium : La couche de passivation mince GaAlAs qui couvre la surface supérieure empêche les porteurs minoritaires (électrons) de l’émetteur d’atteindre la surface et de se recombiner. Par ailleurs elle transmet la majeure partie de la lumière incidente dans la couche de l’émetteur où la majeure partie de la puissance est développée. Le fonctionnement de cette cellule solaire à jonction p-n est tel qu’au niveau de la base qui est constituée d’un semi-conducteur de type-p, la majeure partie de la lumière incidente est absorbée. Après absorption de la lumière, les porteurs minoritaires (électrons) se diffusent au niveau de la jonction où ils sont balayés par un champ électrique intégré. Le courant électrique est collecté par des contacts en métal à l’avant et à l’arrière de la cellule.
Quelques exemples de couches qui constituent une cellule solaire en couche mince
La couche de CdTe : La couche mince CdTe est l’un des plus important composant du fait qu’il absorbe la lumière solaire et contribue à la photo génération du courant. A cause de sa bande interdite directe on a besoin seulement que 2 µm d’épaisseur du matériel pour absorber la plus grande partie utile du spectre solaire.
L’autre avantage de la technologie de CdTe est sa flexibilité au regard de la méthode de manufacture. Les couches de CdTe peuvent être réalisées par une variété de vide et aussi de méthodes non vide, classifiées à haute et à faibles températures. Dépendant des méthodes de dépôt, l’épaisseur typique de la couche CdTe des cellules solaires est dans la gamme de 2-6 µm. L’une des niveaux critiques de fabrication d’une cellule solaire en couche mince est la déposition de CdTe. Un autre issu est la fabrication d’une faible résistivité de la couche p-CdTe, pouvant être accomplie par incorporation intrinsèque de points défectueux ou par contrôle stœchiométrique. Cependant, c’est un issu complexe et difficile dû à une auto-compensation .
La couche de CdS : Le sulfate de cadmium CdS est un semi-conducteur qui est utilisé comme couche tampon dans les cellules solaires à couches minces basées sur le CuInSe₂, le CdTe et le CIGS. Plusieurs méthodes sont utilisées pour déposer des couches minces CdS à savoir l’évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique, le spray etc. Les deux premières méthodes ont conduit à la fabrication des cellules solaires de rendements supérieurs de 14% pour des cellules d’une superficie de 1-2 , mais ces techniques sont très coûteuses. La troisième méthode est moins chère mais conduit à des couches de mauvaise qualité. Des cellules solaires obtenues par cette méthode ont des rendements d’environ de 4%. Uda et al ont étudié la déposition des couches minces de CdS par un bain chimique. Le mécanisme de dépôt en bain chimique a été parfaitement investi par ces auteurs mais quelques-uns ont reporté leurs études sur les propriétés optoélectroniques.
Cette méthode est très avantageuse par sa simplicité, par son coût faible et peut-être appliquée facilement dans l’industrie .
La couche de CIGS : A cause d’un grand coefficient d’absorption, une couche d’épaisseur de 2 𝜇𝑚 est suffisante pour absorber une radiation incidente maximale. Les couches CIGS peuvent être développées par différentes méthodes de déposition. Bien que la taille des grains et la morphologie (rugosité de la surface) dépend de la méthode de déposition, récemment des rendements aussi élevés de 13% ont été obtenus avec plusieurs méthodes qui indiquent que les joints de grains dans le CIGS sont bienveillants et peuvent facilement traverser. Des cellules Cu (In, Ga)𝑆𝑒2 de haut rendement ont une capacité de type p. Alors qu’une phase défectueuse d’une chalcopyrite Cu (In, Ga) Se2, en forme de couche mince, est spécialement de type n quand il est dopé par le cation des atomes qui diffusent à la couche tampon. Il est estimé que cette surface qui domine une homojonction p-n dans l’absorbeur CIGS, est importante pour les cellules de haut rendement. Parmi les méthodes de dépôt des couches minces CIGS, il y a le processus de Co-évaporation, l’évaporation sous vide qui est la meilleure technique de dépôt de couches absorbeurs CIGS pour obtenir des cellules de haut rendement. Une variation du rapport de In sur Ga pendant le processus de dépôt implique un seul changement mineur dans la cinétique de la croissance .Cependant la variation de la teneur en cuivre affecte fortement la croissance du film .
La couche de Zn(S, O, OH) : Le Zn(S, O, OH) est un composé mixte comprenant du Zinc, de l’oxygène, du soufre et des hydroxydes. Il est utilisé comme couche tampon afin d’obtenir des cellules solaires de haut rendement.
L’intérêt de substituer les couches tampon CdS dans la technologie photovoltaïque Cu (In, Ga) Se₂(CIGS) est motivé premièrement par une capacité d’augmenter la génération de courant de la cellule solaire par utilisation de matériaux de bande interdite largement supérieure à celle du CdS (Eg~2,4eV). Et deuxièment par le désir d’obtenir des cellules sans Cd. A cet égard, le Zn(S, O, OH) avec une bande interdite Eg~3,7 eV est un candidat idéal pour l’exploration. Les travaux précédents ont prouvé que les cellules Zn(S, O, OH)/CIGS pourraient atteindre des rendements aussi élevés de 18,6% .
Après avoir décrit quelques différentes couches constituantes les cellules solaires, nous allons maintenant faire une étude descriptive sur la cellule solaire à base du CIGS.
Structure du dispositif des cellules solaires à base de CIGS
Les dispositifs photovoltaïques à base de CIGS (Cu (In, Ga) Se2) sont constitués d’un empilement de couches n-ZnO/i-ZnO/Zn(S, O, OH)/CIGS/Mo . Les propriétés de ces couches sont décrites comme suit. Le substrat commun est un verre sodocalcique de 1 à 3 mm d’épaisseur. Disponible et peu coûteux, il est également approprié pour son coefficient d’expansion thermique adapté à la croissance de ces couches de CIGSe ainsi que pour sa faible rugosité. Sa bonne tenue mécanique aux températures de synthèse élevées est également importante.
Le contact arrière : est souvent assuré par une couche de molybdène (Mo) déposée par pulvérisation cathodique magnétron ou par évaporation par canon à électrons. La grande stabilité à haute température de cette couche sous atmosphère séléniée et sa faible résistivité en font un contact de choix, amélioré par une fine couche de MoSe2 formant à l’interface Mo/CIGSe lors de la synthèse de l’absorbeur . Cette couche métallique de 500 nm d’épaisseur est nécessaire pour extraire les trous photo-générés .
L’absorbeur : est souvent le CIGS qui un semi-conducteur de type p de la jonction et déposé par co-évaporation sous vide. Quatre sources élémentaires contenant du cuivre, de l’indium, du gallium et du sélénium sont chauffées pour amener les atomes simultanément ou successivement sur le substrat. Ce substrat est chauffé pour former une couche cristalline. Il joue généralement comme rôle la génération de paires électron-trou par absorption de photons solaires.
Couche tampon : à la place du CdS, nous utilisons le Zn(S, O, OH) qui est une couche alternative. Etant donné que le rôle de cette couche tampon CdS fait encore un débat au sein de la communauté internationale. Comme décrit ci-haut le Zn(S, O, OH) est synthétisé par bain chimique. Il est dopé de type n grâce à l’incorporation d’Aluminium (Al). Ce dopage asymétrique est à l’origine de la zone de charge d’espace qui s’étend d’avantage dans le CIGSe ainsi que dans le Zn(S, O, OH).
Couche fenêtre : C’est une bi-couche d’oxyde de zinc intrinsèque (i-ZnO) (Eg= 3,3 eV) et d’oxide de zinc dopé à l’aluminium (ZnO-Al) de 300 nm d’épaisseur, nécessaire pour aider à l’extraction des électrons photo-générés par la grille. Elle est déposée par pulvérisation magnetron. La couche i ZnO servirait également à réduire les éventuels courants de fuite au niveau de la jonction et à protéger l’interface avant lors du dépôt de la couche d’oxyde transparent Conducteur (oxyde de zinc dopé à l’aluminium ZnO: Al, Eg ~ 4 eV). Cette dernière, de type n, permet d’atteindre la conductivité nécessaire à la collecte des porteurs. Ces deux couches d’oxyde doivent présenter une transparence maximale afin de permettre une transmission optimale de la lumière incidente utile à l’absorbeur, d’où leur nom de couche fenêtre. Contact avant : Pour former le contact avant, une grille métallique, constituée d’un empilement de nickel et d’aluminium et couvrant moins de 5% de la surface du dispositif est enfin déposée par canon à électron.
Ainsi nous représentons schématiquement ci-dessous la cellule solaire à base de CIGSe, constituée d’un empilement des couches minces.
Principe de la méthode du dépôt en bain chimique
La technique de bain chimique est un procédé de dépôt de couches par adsorption sur un substrat solide immergé dans le milieu réactionnel. Elle met en jeu les mêmes phénomènes de transfert de masse des réactifs que la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ; à savoir les phénomènes d’adsorption, de diffusion, de réaction, de désorption, de nucléation et de croissance. Ce procédé de dépôt est actuellement utilisé principalement pour la synthèse de couches minces chalcognures, à partir de solutions contenant des ions métalliques et une source d’ions oxyde, hydroxyde, sulfure, séléniure et tellure. En principe, la technique CBD peut être utilisée pour n’importe quel composé remplissant les critères suivants :
pouvoir être obtenu par simple précipitation ; être relativement insoluble dans l’eau ; être thermodynamiquement stable en solution ; si la réaction se fait à partir d’un anion libre (type ion sulfure), cet anion doit être généré au fur et à mesure, de façon à éviter une précipitation soudaine et homogène du composé ; si elle met en jeu un complexe, la décomposition du composé métallique doit pour les mêmes raisons être lente.
Aujourd’hui, le dépôt par bain chimique est largement utilisé à l’échelle du laboratoire pour la synthèse de divers matériaux en couches minces grâce à sa simplicité en termes de matériels nécessaires.
Malgré cette commodité expérimentale, les mécanismes de croissance de la couche sont bien complexes et mal compris.
Cependant on note deux mécanismes distincts par la croissance du film ; un mécanisme de croissance basé sur la réaction des précurseurs dans le bain et en surface du substrat : c’est un processus de croissance atome par atome, ou croissance « ion par ion ». Et l’autre mécanisme de croissance découle de l’agglomération de particules formées en solution ; appelée croissance par agrégat. Ainsi ces deux mécanismes peuvent interagir et former une couche où les agrégats sont inclus dans une masse. Par ailleurs, elle peut se faire à partir de nucléi formés par nucléation hétérogène sur le substrat ou par nucléation homogène dans le bain contrôlé par des paramètres à la fois thermodynamique et cinétique.
Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES COUCHES MIINCES
Introduction
I.1.Définition d’une couche mince
I.2.1.Principe de fonctionnement d’une cellule solaire
I.2.2.La jonction p-n
I.2.3. Les différents Types de cellules solaires photovoltaïques en couche mince
I.2.3.1. Les cellules solaires de silicium amorphe
I.2.3.2.Les cellules d’arséniure de gallium
I.2.3.3.Quelques exemples de couches qui constituent une cellule solaire en couche mince
La couche de CdTe
La couche de CdS
La couche de CIGS
La couche de Zn(S, O, OH)
I.3.Les cellules solaires à couches minces à base CIGS
I.3.1.Structure du dispositif des cellules solaires à base de CIGS
I.3.2.Les différentes Propriétés du CIGS
I.3.2.1.Structure cristalline du CIGS
I.3.2.2.Propriétés optiques et électriques du CIGS
I.3.2.2.1.Propriétés optiques du CIGS
Coefficient optique
Gap optique
I.3.2.2.2.Propriétés électriques du CIGS
Conductivité électrique
Résistivité-Concentration des porteurs
I.4. Couches tampon Zn(S, O, OH)
I.4.1.Propriétés électriques de Zn(S, O, OH)
Densité de courant de court-circuit Jcc-Tension à circuit ouvert
I.4.2.Propriétés optiques de Zn(S, O, OH)
Conclusion
CHAPITRE II
Introduction
II.1.Principe de la méthode du dépôt en bain chimique
II.2. Couches minces Zn(S, O, OH) synthétisées par voie chimique
II.3.Protocole expérimental
Les précurseurs
Rinçage des échantillons
Recuit des échantillons
II.4.Mécanisme de fabrication et caractérisation
Conclusion
CHAPITRE III : CARACTERISATION DES COUCHES MINCES Zn(S, O, OH) SYNTHETISEES PAR BAIN CHIMIQUE
Introduction
III. Résultats et discussion
III.1. Spectroscopie à balayage électronique (MEB ou SEM)
III.1.1.1. Principe de la MEB
III.1.1.2.Morphologie et Structure des couches CBD/Zn(S, O, OH)
III.1.1.3.Les précipitations homogène et hétérogène de la croissance du Zn(S, O, OH)
Variations des concentrations de NH₃ de 1M à 8M
Réduction de la précipitation homogène avec diminution de la température
Variation du temps de croissance
III.1.2.Spectroscopie de photoémission de rayons X(XPS)
III.1.2.1.Principe de fonctionnement de la spectroscopie de photoémission de rayons X
III.1.2.2. Composition chimique des couches minces Zn(S, O, OH)/CIGS
III.1.3. Microscopie à transmission électronique (MET)
III.1.3.1. Principe de la microscopie à transmission électronique
III.1.3.2. Morphologie et structure des couches minces CBD/Zn(S, O, OH)
III.1.4.Structure cristalline des couches minces Zn(S, O, OH)/CBD obtenue par DRX
III.2.Les autres caractéristiques
III.2.1.Densité courant-tension
III.2.2.Simulateur solaire
III.2.3.Rendement quantique-longueur d’onde
III.2.4.Transmittance optique-longueur d’onde
Conclusion
Conclusion Générale
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES
