Électrodéposition de couches minces de phosphure de zinc pour les applications solaires photovoltaïques

Les besoins mondiaux en électricité et en particulier les besoins en électricité photovoltaïque vont énormément croître jusqu'en 2050. Aujourd'hui la production de modules PV reste essentiellement basée sur le silicium cristallin et les couches minces. Or, le phosphure de zinc possède de bonnes propriétés pour constituer un panneau photovoltaïque à couches minces : une bande interdite à structure de bande directe et dont la valeur (1,5eV) est située dans la région optimale d'absorption du spectre solaire, ses constituants sont non toxiques et sont aussi très abondants sur terre. De plus, sa préparation par électrodéposition qui est une technique simple et reproductible à grande échelle constituerait un pas important vers sa plus grande commercialisation. Les travaux disponibles dans la littérature présentant l'électrodéposition de phosphure de zinc sont peu nombreux et ne conduisent à des dépôts ne contenant que du zinc mais pas de phosphore. Ce travail de recherche avait pour objectif l'étude de l'électrodéposition du phosphure de zinc et l'optimisation de ses conditions expérimentales d'électrodéposition. Cette étude s'est effectuée en milieu aqueux et basique, à partir de précurseurs de zinc et de phosphore et d'un additif : la glycine. Dans cette approche il a été considéré que la formation de Zn_3 P_2 procède par co-électrodéposition de Zn et de P suivie d'une réaction chimique entre les deux espèces. Dans un premier temps, nous avons étudié l'aspect théorique de l'électrodéposition du phosphure de zinc. Nous nous sommes intéressés à la stabilité thermodynamique du Zn_3 P_2 en établissant le diagramme de Pourbaix du système Zn-P-Glycine-H_2 O à l'aide du logiciel FACTSAGE pour différentes valeurs du ratio ([Zn])⁄(([Zn]+[P])) et pour différentes concentrations en glycine. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'électrodéposition du phosphure de zinc à partir de précurseurs de zinc et de phosphore, en milieux aqueux et basique sans glycine. Puis, nous avons étudié cette électrodéposition dans les mêmes conditions expérimentales mais cette fois-ci en présence de glycine. La comparaison de ces deux études nous permettra de tirer des conclusions sur l'influence de la glycine sur l'électrodéposition du phosphure de zinc. Les différentes réactions d'oxydo-réduction se déroulant lors de ces études ont été caractérisées par voltammétrie cyclique. Puis, les positions de ces pics ont été utilisées pour fixer les potentiels de dépôts potentiostatiques. Des dépôts potentiostatiques d'une heure ont ensuite été réalisés pour l'ensemble des échantillons. Ces échantillons ont ensuite été analysés à l'aide de la microscopie électronique à balayage couplée à la spectroscopie d'énergie dispersive (MEB+EDS) et par diffraction des rayons X (XRD).

Abstract

The global electricity demand and particularly the photovoltaic electricity demand will increase significantly. Today, the production of solar cells is still essentially based on crystalline silicon and thin film solar cells. Yet, zinc phosphide has good photovoltaic properties: 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. Furthermore, electrodeposition is of interest since it is relatively inexpensive, non-pollutant and it is an easily scalable technique. Nevertheless, few studies about the electrodeposition of zinc phosphide are available in the literature and the results of those studies are deposits which only contain zinc and not phosphorus. The goal of this research project is to study the electrodeposition of zinc phosphide and the optimization of the experimental conditions of this electrodeposition. This study was carried out in a basic aqueous medium and from solutions containing zinc and phosphorus species and an additive: the glycine. In this approach, it is considered that the Zn_3 P_2 formation occurs by co-electrodeposition of Zn and P followed by a chemical reaction between the two-electrodeposited species. At first, we studied the theoretical aspect of the electrodeposition of zinc phosphide. We looked at the thermodynamic stability of zinc phosphide using the Pourbaix diagram of the Zn-P-Glycine-H_2 O system obtained from the commercial software FACTSAGE, for different values of ([Zn])⁄(([Zn]+[P])) and for different glycine concentrations. In a second phase, we studied the electrodeposition of zinc phosphide in a basic aqueous medium and from solutions containing zinc and phosphorus species but without glycine. Then, we studied this electrodeposition in the same experimental conditions but with glycine this time. We will compare those two studies and draw conclusions about the influence of glycine on the electrodeposition of zinc phosphide. The different oxidoreduction reactions were characterized by cyclic voltammetry. The peak positions were then used to identify the appropriate potential for the potentiostatic deposition. The samples were produced by potentiostatic depositions. The deposits were characterized by scanning electron microscopy coupled to energy dispersive spectroscopy (SEM+EDS) and by X-ray diffraction (XRD).