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Cellules Solaires à base de CIGS
La structure d’une cellule photovoltaïque à base de CIGS est constituée de plusieurs couches. Le substrat (verre sodo-calcique, polyimide ou métallique) d’épaisseur 1 à 3mm, est recouvert de molybdène (Mo) servant de contact arrière métallique (de quelques centaines de micromètre à 1 μm). Sur ce dernier est déposée une couche de 1,5 à 2,5 μm de CIGS. Il s’agit d’un semi-conducteur de type P, appelé absorbeur, dans lequel les photons vont être absorbé et vont créer des paires électrons- trous. Cet absorbeur est recouvert d’un semi-conducteur de type N, une couche de 50 nm de Sulfure de Cadmium (CdS), qui assure la formation de l’hétérojonction. La couche fenêtre est constituée d’une couche de 80 nm d’oxyde de zinc intrinsèque noté (ZnO (i)) et d’une couche de 400 nm d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium noté (ZnO : Al). Le substrat est le support mécanique permettant la tenue mécanique des différentes couches, dont l’empilement ne dépasse pas quelques micromètres d’épaisseur. Il doit répondre à différents critères chimiques et mécaniques, qui le rendent apte à suivre toutes les étapes de fabrication de la cellule, sans en détériorer la qualité tout en ayant un coût limité. Parmi les critères retenus, on citera les suivants : sa rugosité, son coefficient de dilatation, sa température maximale d’utilisation, son inertie chimique et son état de surface qui doit être parfaitement lisse.
Le substrat de verre sodo-calcique (1-3mm) a été utilisé originellement pour sa disponibilité son cout peu onéreux, son coefficient d’expansion thermique adapté à la croissance des couches de CIGS. De plus, Sa bonne tenue mécanique aux températures de synthèse élevées ainsi que sa teneur en sodium sont également importantes. En effet, de nombreux travaux de recherche ont montré que le sodium contenu dans le verre (NaO2) joue un rôle critique tant au niveau de la croissance que des performances photovoltaïques . Au sein de la couche de CIGS, le sodium se situe principalement aux joints de grains et en surface , permettant ainsi de passiver les défauts et augmenter la densité d’accepteurs au sein de la couche de CIGS .
L’apport de sodium au sein de l’absorbeur peut également être contrôlé par ajout de couches barrières (Al2O3) entre le verre et le molybdène, puis par ajout de précurseurs contenant du Na (par exemple : NaF). Les inconvénients rencontrés avec ce substrat sont liés à sa rigidité et sa faible température de transition vitreuse (entre 550 et 600°C).
En dehors du verre sodo-calcique, on peut utiliser des métaux ou des polyimides. Le substrat utilisé dans ce mémoire est un polyimide.
Le contact métallique arrière :Le contact métallique arrière doit, comme le substrat, répondre à différents critères chimiques mécaniques et économiques. Il doit notamment être un bon conducteur électrique ne pas réagir avec le CIGS ou y diffuser, résister aux températures élevées rencontrées lors du procédé de fabrication du CIGS (environ 550 à 600°C).
Son rôle est assuré par une couche de molybdène (Mo) déposée par pulvérisation cathodique magnétron ou par évaporation par canons 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 se formant à l’interface Mo/CIGS lors de la synthèse de l’absorbeur. La résistivité à la compression ou à la tension joue un rôle important au niveau de la morphologie de la couche de Mo, ayant un impact direct sur la perméabilité au Na diffusant à travers le Mo et participant à la croissance du CIGS .
Propriétés électriques
Outre les propriétés électroniques et optiques, les propriétés électriques des matériaux utilisés dans les photopiles sont aussi des données importantes afin d’obtenir un rendement photovoltaïque élevé. Ces propriétés sont gouvernées par la conductivité et la mobilité.
Conductivité du Cu(In,Ga)Se2 : Les couches minces de type de CIGS du NREL et Shell Solar Inc., sont caractérisées par l’effet Hall avant et après le recuit laser sans fusion par 248 nm d’un laser à fluorure de Krypton (KrF) avec des densités et des impulsions d’énergies différentes. Après le recuit, les échantillons montrent une variation de la concentration de trous et de la mobilité. En particulier dans les échantillon-1 de CIGS, la mobilité augmente.
La riche en Cu dans le couches minces de CIGS Cu / [In+Ga] = 0,97 avec une concentration des porteurs de l’ordre de 1020𝑐𝑚−3 est préparée par la technique de la pulvérisation cathodique et de l’évaporation montre des résistances de 1000 et 500 Ω à une température ambiante respectivement égale à 4,2 K. Une variation de la résistance avec une température présente un comportement métallique. Après la gravure des échantillons en solution KCN pour enlever la phase 𝐶𝑢2−𝑥 , ils révèlent une baisse des énergies d’activations de 20 et 40 meV à des régions de basse et haute température, respectivement. La résistance diminue lorsque la température augmente. Une variation de la résistance avec la température se trouve dans la référence. La Co-électrodéposition des couches minces de CIGS sur le substrat verre sodocalcique revêtus d’un Mo présente une conductivité de type n.
Choix du Substrat Polyimide
Les cellules solaires en couches minces à base Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) sur des substrats flexibles ont beaucoup d’avantages par rapport aux cellules CIGS préparées sur un verre sodocalcique (SLG) (rigide):Ils sont légers, ils peuvent être appliqués sur une surface instable et ils peuvent être enroulés quand ils ne sont pas utilisés. Donc les modules flexibles à base de CIGS ouvrent de nouvelles possibilités d’applications pour une utilisation terrestre. Leurs rayonnements excellents, leurs tolérances et leurs ratios élevés de puissance délivrés au poids du module les rendent également des candidats idéaux pour l’utilisation dans l’espace terrestre.
Les propriétés structurales et optoélectroniques des couches de CIGS appropriées doivent être cultivées à basse température (<500 ° C) car les polyimides ont tendance à se dégrader à des températures de dépôt élevées. En outre, un procédé d’incorporation contrôlé d’une quantité élevée de Na dans le CIGS est nécessaire pour des cellules à haut rendement puisque les polyimides ne contiennent pas du Na. Nous avons appliqué une basse température (450°C) dans le procédé de dépôt du CIGS par évaporation élémentaire du Cu, In, Ga et Se sur des films de polyimide Upilex 25S disponibles dans le commerce. Et le Na obtenu à partir d’un film de NaF a été incorporé dans les couches de CIGS avec un procédé de diffusion post-dépôt qui est approprié pour la production en ligne des cellules solaires. Avec cette méthode, il a été développé à haut rendement des cellules solaires à bases de CIGS flexibles. Des mesures indépendantes au Fraunhofer ISE Fribourg, en Allemagne, ont confirmé un rendement de 14,1% sous les conditions de test standard AM1.5. C’est le plus grand rendement rapporté à ce jour pour tout type de cellules solaires cultivées sur les films polymères . Les polyimides présentent beaucoup de propriétés physiques.
Spectrométrie de masse d’ions secondaire
Principe : La spectroscopie par émissions des ions secondaires SIMS (secondary Ion Mass Spectrométry) est une technique analytique pouvant être utilisée dans la caractérisation des surfaces ou des régions proches de la surface d’un matériau dans l’état solide.
Un échantillon solide placé dans l’Ultra-Vide est bombardé par un faisceau d’ions primaires dont l’énergie (quelques keV) est supérieure à l’énergie d’extraction des atomes de surface de l’échantillon. L’interaction du faisceau avec la surface du solide donne naissance à des émissions secondaires variées de photons, d’électrons, d’atomes et de molécules neutres ou ionisées. Ces ions constituent la source de l’information de l’analyse par SIMS. Ils sont triés en masse et en énergie.
Un instrument SIMS de base sera donc composé : Une source de faisceau primaire (généralement O2+, O-, Cs+, Ar+, Ga+ ou neutres) pour fournir les espèces bombardant.
Une cible ou un échantillon qui doit être solide et stable dans le vide. Un procédé de collecte des ions secondaires éjectés.
Un analyseur massif à temps de vol pour isoler l’ion d’intérêt. Un système de détection des ions secondaires (une cage de Faraday pour les forts courants ioniques et un multiplicateur d’électrons pour des faibles intensités).
Microscopie électronique à balayage
La microscopie à balayage électronique MEB (ou « Scanning Electron Microscopy »SEM en anglais) est une technique puissante d’observation de la topographie des surfaces. Elle est fondée principalement sur la détection des électrons secondaires émergents de la surface sous l’impact d’un très fin pinceau d’électrons primaires qui balaye la surface observée et permet d’obtenir des images avec un pouvoir séparateur souvent inférieur à 5nm et une grande profondeur de champ. Le MEB utilise, en complément, les autres interactions des électrons primaires à l’échantillon : émergence des électrons rétrodiffusés, absorption des électrons primaires, ainsi que l’émission des photons X et parfois celle des photons proche du visible. Chacune de ces interactions est souvent significative de la topographie et/ou de la composition de la surface.
L’instrument permet de former un pinceau quasi parallèle, très fin (jusqu’à quelques nanomètres), d’électrons fortement accélérés par des tensions réglables de 0,1 à 30 kV, de le focaliser sur la zone à examiner et de la balayer progressivement. Des détecteurs appropriés, détecteurs d’électrons spécifiques (secondaires, rétrodiffusés, parfois absorbés ….), complétés par des détecteurs de photons, permettent de recueillir des signaux significatifs lors du balayage de la surface et d’en former diverses images significatives .
Des images d’une section transversale des dispositifs montrent pour l’exemple des échantillons NaF_4 et NaF_16 une diminution de la taille des grains à l’intérieur de la couche de CIGS pour la teneur de Na plus élevée . Ceci confirme que la teneur en Ga n’est pas le seul facteur déterminant en ce qui concerne les tailles de grains dans la couche d’absorbeur.
Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Généralités sur le CIGS
I. Introduction
II. Cellules Solaires à base de CIGS
1. Le substrat
2. Le contact métallique arrière
3. La couche absorbeur
4. La couche tampon
5. Oxydes Transparents Conducteurs (OTC) à base de ZnO
6. Grille métallique à base de Ni/Al/Ni
III. Fonctionnement
IV. Les différentes propriétés du CIGS
1. Les propriétés électroniques
2. Propriétés optiques et Génération de courant
3. Propriétés électriques
4. Propriétés Structurale et diagrammes de phases
V. Conclusion
Chapitre II : Procédé d’élaboration du CIGS par Coévaporation et l’incorporation du NaF
I. Introduction
II. Choix du Substrat Polyimide
1. Stabilité thermique
2. Propriétés électriques
3. Propriétés mécaniques
III. La Coévaporation en 3 étapes
1. Principe
2. Dispositif expérimental
3. Procédure de dépôt
IV. L’incorporation du NaF
V. Conclusion
Chapitre III : Résultats et Discussion
I. Introduction
II. Spectrométrie de masse d’ions secondaire
1. Principe
2. Analyse en profondeur
III. Microscopie électronique à balayage
IV. Effet du précurseur NaF sur les performances des dispositifs
1. Avec les différents paramètres d’une cellule solaire
2. Avec le rendement Quantique
V. Propriétés électroniques avec la spectroscopie d’impédance
1. Profil de la capacité
2. Spectre d’admittance
VI. Conclusion
Conclusion Générale
Etudes Bibliographiques
