Élaboration et caractérisation de couches minces de CuInS2 déposées par la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique à base de transducteur

L'étude présentée dans cette thèse fait partie des travaux du Laboratoire de nouveaux matériaux pour l'énergie et l'électrochimie (LaNoMat) dans la recherche de nouvelles techniques d'élaboration de nouveaux matériaux pour application solaire photovoltaïque. Ceci a pour objectif de contribuer au développement de l'exploitation de l'énergie solaire en énergie électrique par le maximum de la population à travers le monde. Ce travail porte sur la détermination des paramètres de dépôt de couches minces de CuInS2 par la méthode de pyrolyse par pulvérisation ultrasonique pour des applications en technologie des cellules solaires photovoltaïques 3D. La structure de la bande interdite du CuInS2, matériau semi-conducteur à gap direct de valeur égale à 1.55 eV, en fait un excellent candidat dans le rôle d'absorbeur dans la technologie des couches minces pour applications solaires photovoltaïques. La technologie solaire photovoltaïque 3D nécessite la réalisation de jonction p-n de semi-conducteurs de type n et p dont les réseaux s'interpénètrent lors de la réalisation de cette jonction pn. L'élaboration de ce type de réseaux implique la croissance de couches minces qui possèdent les caractéristiques d'un absorbeur nanocomposite ultramince ou extrêmement mince (typiquement de quelques dizaines de nanomètres) ou d'une boîte quantique absorbeur. Toutes ces notions montrent l'importance de développer des méthodes permettant la croissance de telles couches. Mais le développement des méthodes de dépôts de couches minces, pour des raisons de compétitivité et d'accessibilité, doit aussi s'inscrire dans le contexte de l'élaboration de cellules solaires photovoltaïques tridimensionnelles à faible coût. Pour ce faire il faut utiliser des technologies de fabrication des matériaux facilement accessibles et peu onéreuses, comme la pyrolyse. L'objectif de cette thèse porte sur l'utilisation de la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique pour faire croître des couches minces de CuInS2 et les caractériser par différentes techniques. Le CuInS2 est un matériau semi-conducteur à gap direct, qui peut jouer le rôle d'absorbeur dans la technologie solaire photovoltaïque. Seulement, la croissance de couches minces de ce matériau est sujette à une problématique de réalisation de réseaux interpénétrants de semi-conducteurs de types différents, ce qui implique un choix approprié de la technique de dépôt. On constate que l'intérêt pour les méthodes existantes, l'ALCVD (Atomic Layer Vapor Deposition) et ILGAR (Ion Layer Gas Reaction) développées aux paragraphes 2.4.1 et 2.4.2, est confronté aux limites temporelles de ces méthodes. En effet ces deux méthodes, ayant un principe de réalisation séquentielle, se déroulent très lentement; ce qui fait que l'épaisseur des couches minces obtenues est proportionnelle à la durée du dépôt. La durée de dépôt a un impact certain sur les coûts de production. L'objectif de la recherche est donc de développer une méthode qui, tout en possédant les avantages que confère l'utilisation de l'ALCVD ou de l'ILGAR quant à la réalisation de réseaux interpénétrants, permettra un gain de temps et une forte réduction de coût de production. Cette méthode est la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique à base de transducteur qui peut permettre de croître des couches minces de CuInS2 présentant une bonne homogénéité. La pyrolyse par pulvérisation a été réalisée selon deux méthodes différentes de pulvérisation, à savoir ultrasonique et pneumatique. La pulvérisation ultrasonique s'est faite à l'aide d'un système piézo-électrique utilisant un transducteur. L'utilisation d'une solution aqueuse de précurseurs mène à l'obtention de couches minces d'agrégats de sulfure d'indium In2S3 tandis que l'utilisation d'une solution alcoolique de précurseurs mène à l'obtention de couches minces de CuInS2. Le rapport des précurseurs permettant un dépôt est Cu:In:S = 1:1:4. La spectrophotométrie a permis de déterminer que les couches minces de CuInS2 obtenues présentent toutes une valeur moyenne de bande interdite égale à 1.40 eV. Ceci indique la présence d'états intermédiaires, telles les lacunes de cuivre, dans la bande interdite du matériau. Les spectres d'absorption ont aussi permis de distinguer des pics que l'on peut attribuer à la contribution des sous-bandes correspondant à la liaison indium-soufre et à la bande 3s du soufre. La caractérisation structurale s'est faite par la diffraction des rayons X (XRD – X-ray Diffraction en anglais) tandis que la morphologie de surface ainsi que la caractérisation chimique se sont faites à l'aide de l'analyse dispersive en énergie (EDAX - Energy Dispersive X-ray Analysis en anglais). Les résultats qui en découlent montrent que les couches minces obtenues sont homogènes, transparentes et cristallines avec une taille de grains de l'ordre de 110 ± 10 Å. La croissance des couches minces est tributaire de la durée d'humidification du substrat. Pour un temps d'humidification de l'ordre de 7 minutes, on obtient des couches minces avec une meilleure stœchiométrie, de l'ordre de Cu:In:S de 1:1.23:2.07 mais avec une présence du chlore, absent dans les couches obtenues avec un temps d'humidification de l'ordre de 3 minutes avec une stœchiométrie de Cu :In :S : 1:1.81:3.18. Elles présentent une résistivité égale en moyenne à 1.3 x 104 ± 0.027 x 104 Ω.cm, valeur mesurée grâce à la méthode des quatre pointes. Les couches minces obtenues sont de type p et sous illumination de l'ordre de 100 mW/cm2 par une lampe de xénon, on obtient une augmentation de la densité des porteurs de charge de l'ordre de 62%. Mais cette valeur ne tient pas compte des phénomènes de recombinaison. Dans le cas de la méthode pneumatique, le principe de pulvérisation ici se base sur l'application de l'effet Venturi qui permet de pulvériser la solution de précurseurs en utilisant un gaz porteur. Cette méthode se nomme pyrolyse par pulvérisation à gaz pulsé. Le gaz utilisé ici est l'azote. Les couches minces obtenues sont hétérogènes, denses, opaques, polycristallines avec une taille des grains de l'ordre de 550 ± 10 Å. La stœchiométrie des couches obtenues est en moyenne égale à 1:1.45:2.28. Les couches minces obtenues par cette méthode nécessite un recuit afin d'améliorer leur cristallinité. L'analyse comparative des échantillons obtenus par les deux types de pyrolyse par pulvérisation est ensuite réalisée. Il en ressort que la pulvérisation aérosol ultrasonique permettrait d'obtenir des couches minces de CuInS2 pour applications solaires autant dans les rôles de nanocomposite absorbeur ultra mince et d'absorbeur extrêmement mince que dans celui de boîte quantique absorbeur. La conclusion de ce travail aboutit au fait que la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique à base de transducteur est une méthode qui permettrait donc de résoudre une problématique importante en technologie des cellules solaires photovoltaïques tridimensionnelles, à savoir la réalisation de réseaux interpénétrants de semi-conducteurs de type n et p, à grande échelle et sans contrainte temporelle.

Abstract

The present thesis study is part of the work of The Laboratory of New Materials for Energy and Electrochemistry systems (LaNoMat) that search new techniques to elaborate new materials for photovoltaic solar applications. This aims contribute to the development of the exploitation of solar energy into electrical energy by the maximum of the population throughout the world. This work deals with the determination of CuInS2 thin film deposition parameters by ultrasonic spray pyrolysis method for applications in the technology of three dimensional (3D) solar cells. The structure of the band gap of CuInS2 (a semiconductor material with a direct bandgap of 1.55 eV) makes it an excellent candidate for the role of the absorber in thin film technology for solar photovoltaic applications. 3D solar photovoltaic technology requires the production of a p-n junction with n and p-type semiconductors to make networks. The production and growth of such networks depends on the creation of thin films which have the characteristics of an ultrathin nanocomposite or extremely thin absorber (typically a few tens of nanometers) or which act as a quantum dot. All these concepts show the importance of developing methods to grow such layers. But the development of methods for thin film deposition, for the reasons of competition and accessibility, must be considered as an important factor in the context of the development of three-dimensional photovoltaic solar cells at low cost. To do this it is necessary to use materials manufacturing technology readily available and inexpensive, such as the pyrolysis. The main objective of this thesis focuses on the use of ultrasonic spray pyrolysis technique to grow CuInS2 thin films and characterize them by different techniques. CuInS2 is a direct gap semiconductor material, which can act as absorber in solar photovoltaic technology. However, the growth of thin films of this material is subject to a problem of creation of interpenetrating networks of different types of semiconductors (n and p-type), which implies a suitable choice of deposition technique. It should be noted that the interest in existing methods, the ALCVD (Atomic Layer Vapor Deposition) and ILGAR (Ion Layer Gas Reaction) developed in paragraphs 2.4.1 and 2.4.2, is confronted with time limits of these methods. Indeed these two methods, owing to the principle of sequential production process, take place very slowly; so that the thickness of the obtained thin film is proportional to the deposition time. The deposition time has an impact on production costs. The main objective of this research is therefore to develop a method that allows time savings and a reduction of production cost, while possessing the advantages conferred by the use of ALCVD or ILGAR methods regarding the realization of interpenetrating networks. This method is the transducer based ultrasonic spray pyrolysis that can be used to grow thin films of CuInS2 with a good homogeneity. In this work, spray pyrolysis is carried out in two different ways, namely ultrasonic and pneumatic spraying. Ultrasonic spraying was done with a piezoelectric system using a transducer. The use of precursors in an aqueous solution leads to the production of thin layers of indium sulfide In2S3 clusters while the use of the precursors in alcoholic solution leads to the production of thin layers of CuInS2. The precursors ratio for deposition of CuInS2 is Cu: In: S = 1: 1: 4. Spectrophotometry has identified that all obtained CuInS2 thin films have an average band gap value of 1.40 eV. This indicates the presence of intermediate states, such as copper vacancies in the material band gap. The absorption spectra also allowed us to distinguish peaks that can be attributed to the contribution of sub-bands corresponding to the indium-sulfur bond and the sulfur 3s-band. Structural characterization was done by X-ray Diffraction (XRD) while the surface morphology and chemical characterization were done using the Energy Dispersive X-ray Analysis (EDAX). The ensuing results show that the thin films obtained are homogeneous, transparent and crystalline with the grain size of the order of 110 ± 10 Å. The thin films obtained by this method do not require annealing to improve their crystallinity. The growth of thin films depends on the substrate humidification period. For a wetting time of about 7 minutes, thin layers are obtained with improved stoichiometry, in the order of Cu: In: S = 1: 1.23: 2.07, in a presence of chlorine, but not present in the layers obtained with a wetting time of about 3 minutes, with a stoichiometry of 1: 1.81: 3.18. They have an average resistivity of 1.3 x 104 Ω.cm, as measured by the four-points probe. The obtained thin films are p-type and, under illumination of 100 mW/cm2 by a xenon lamp, an increase of the density of charge carriers of about 62% is obtained, but this value does not account the recombination phenomena. In the case of the pneumatic method, the spraying principle is based on the application of Venturi effect, which allows to spray the solution of precursors using a carrier gas. This method is called gas blasting spray pyrolysis. The gas used here is nitrogen. The obtained thin films are heterogeneous, dense, opaque, and polycrystalline with a grain size of the order of 550 ± 10 Å. The stoichiometry of the layers obtained is equals to 1: 1.45: 2.28. The thin films obtained by this method require annealing to improve their crystallinity. The comparative analysis of the samples obtained by the two types of spray pyrolysis is then performed. It shows that ultrasonic aerosol spray would provide CuInS2 thin films for solar applications both in the roles of nanocomposite ultra-thin absorber and extremely thin absorber as in that of quantum dot absorber. The conclusion of this work leads to the fact that transducer based ultrasonic spray pyrolysis is therefore a method that would solve a major problem in three-dimensional photovoltaic solar cells technology, namely the realization of interpenetrating networks of n-type and p-type semiconductors, on a large scale and without time constraint.