Étude par voltammétrie cyclique des conditions d'électrodéposition de phosphure de zinc pour des applications photovoltaïques

Le phosphure de zinc (Zn3P2) présente plusieurs propriétés d'intérêt pour les applications photovoltaïques : sa bande interdite est à structure directe et a une valeur de 1.5 eV qui correspond à l'optimum de conversion du spectre solaire, son coefficient d'absorption est important, et ses constituants sont abondants, non toxiques et peu onéreux. Son utilisation à grande échelle à l'état actuel de l'art est toutefois principalement limitée par (i) la disponibilité de procédés de préparation du matériau pouvant facilement être utilisés à l'échelle industrielle, et (ii) la disponibilité de techniques permettant la préparation d'hétérojonctions à rendement élevé. En ce qui a trait aux techniques de préparation, l'électrodéposition présente un intérêt particulier, puisque la technique est généralement peu couteuse, non polluante et facilement reproductible. Toutefois, la faisabilité de la préparation du Zn3P2 par électrodéposition n'est pas clairement établie dans la littérature. La présente recherche étudie les conditions d'électrodéposition de Zn3P2 en solution aqueuse à partir de précurseurs de zinc et phosphore. Dans cette approche il a été considéré que la formation de Zn3P2 procède par co-électrodéposition de Zn et de P suivie d'une réaction chimique entre les 2 espèces. Dans un premier temps, le travail a porté sur la détermination des zones de stabilité thermodynamique de Zn3P2 en établissant les diagrammes de Pourbaix suivants qui ont été obtenus à l'aide du logiciel FACT-SAGE : i) détermination et identification de la région de stabilité thermodynamique des systèmes Zn – H2O, P – H2O et système Zn – P - H2O pour différentes valeurs de concentration de zinc et de phosphore; ii) Étude de la région de stabilité des supports de verre conducteurs à partir des systèmes Sn – H2O, Sn – F – H2O, Sn – In – H2O, et du cuivre à partir des systèmes Cu – H2O; iii) études des interactions du systèmes Zn – P avec les espèces en solution : systèmes Zn – P – Na – H2O, Zn – P – Cl – H2O, Zn – P – S – H2O, Zn – P – N – H2O, Zn – P – Sn – H2O, Zn – P – Cu – H2O; iv) études des interactions du support avec les espèces en solution : systèmes Sn – Na – H2O, Sn – Cl – H2O, Sn – S – H2O, Sn – N – H2O. Les supports ont été caractérisés par voltammétrie cyclique. Les solutions contenant les précurseurs de Zn3P2 ont été caractérisées électrochimiquement et les pics d'oxydation et de réduction de leur voltammogramme ont été identifiés. Les positions de ces pics ont été utilisées pour fixer les potentiels d'électrodéposition. Plusieurs échantillons ont été électrodéposés et analysés par MEB (Microscopie électronique à balayage), EDS (spectroscopie d'énergie dispersive), diffraction des rayons X.

Abstract

With a direct band gap of 1.5 eV located at the optimum of conversion for the solar spectrum, a high absorption coefficient, and constituents that are abundant, non toxic and inexpensive, zinc phosphide (Zn3P2) is an nearly ideal material for photovoltaic applications. The use of the semiconductor in large-scale applications is however at the state of the art mainly limited by the availability of (i) easily scalable techniques and processes for the preparation of the material (ii) techniques for the preparation of high efficiency heterojonctions. Regarding the preparation of the material, electrodeposition is of particular interest, as the technique is known to be relatively inexpensive, non pollutant and presents good reproducibility. However, the feasibility of zinc phosphide electrodeposition is not clearly established in the literature works. This research investigates the conditions of electrodeposition of Zn3P2 from aqueous solutions containing zinc and phosphorus species. In this approach it is considered that the Zn3P2 formation occurs by co-electrodeposition of Zn and P followed by a chemical reaction between the two electrodeposited species. First of all, the regions of thermodynamic stability and the electrochemical behaviour of Zn3P2 were studied using Pourbaix diagrams obtained from the commercial software FACT-SAGE. The following steps were specifically undertaken using the Pourbaix diagrams: (i) identification of the regions of thermodynamic stability for the systems Zn – H2O, P – H2O and Zn – P - H2O for different concentration of zinc and phosphorus; (ii) Investigation of the stability of the conducting glass and copper substrates from analysis of the systems Sn – H2O, Sn – F – H2O, Sn – In – H2O, and Cu – H2O respectively; (iii) Analysis of the interactions between the system Zn – P and the species dissolved in the electrolyte: systems Zn – P – Na – H2O, Zn – P – Cl – H2O, Zn – P – S – H2O, Zn – P – N – H2O, Zn – P – Sn – H2O, Zn – P – Cu – H2O; (iv) Analysis of the interactions between the substrates and the species dissolved in the electrolyte: Sn – Na – H2O, Sn – Cl – H2O, Sn – S – H2O and Sn – N – H2O. The electrodeposition conditions were then investigated in experiment : the stability of the substrates was studied by cyclic voltammetry. The electrochemical behavior of the solutions containing zinc and phosphorus species was also analysed by cyclic voltammetry and the oxidation and reduction current peaks were identified on the resulting voltammograms. The peak positions was then used to identify the appropriate potential for the electrodeposition. The deposits obtained in vii the identified conditions were characterized by SEM (Scanning Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-ray diffraction).