Mécanismes de croissance des couches minces de Cu (In, GA) Se2 co-évaporées : vers des synthèses rapides et à basse température

par Thomas Painchaud

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux. Composant pour l'électronique

Sous la direction de John Kessler.

Soutenue en 2010

à Nantes , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Une cellule solaire à base de Cu(In1-xGax)Se2 a la structure suivante Verre/Mo/Cu (In1- Gax)Se2/CdS/i-ZnO/ZnO:Al. La synthèse rapide et à basse température des couches minces de CIGSe co-évaporées à haut rendement constituent des enjeux importants pour la filière industrielle CIGSe. Afin de parvenir à ces 2 objectifs, une étude des mécanismes de croissance de l'absorbeur CIGSe a été réalsée via l'utilisation d'un procédé en 3 étapes. Il a été mis en évidence qu'un phénomène de recristallisation opère pour des couches minces de CIGSe (0≤ x ≤0,3) lors de la 2ème étape lorsque la teneur en cuivre est proche de la stoechiométrie, i. E. Y =[Cu]/([In]+[Ga] )≈ 1. Cette recristallisation est thermiquement activée et consiste en une augmentation de la taille des grains qui se traduit par une diminution de la densité de joints de grains. L'interprétation de cette croissance repose sur un modèle basé sur la migration des joints de grains. La compréhension du mécanisme de croissance nous apermis de diminuer le temps de dépôt de la couche mince de 23min (h=16%, FF=76%) à 6min(h=14%, FF=74%) à Tsub=600°C. Au sein du procédé à 3 étapes, la 3ème étape semble limitée cinétiquement. Afin de minimiser la température du substrat, l’impact du contact arrière de Mo au sein du dispositif photovoltaïque a été étudié. La diffusion du sodium du substrat vers le CIGSe à travers le Mo joue un rôle électronique et est influencée par la porosité du molybdène et par Tsub. Ainsi, pour une couche mince de CIGSe déposée sur un substrat à 450°C, une porosité comprise entre 11 et 15% permet d'atteindre des rendements de 13,5% pour des facteurs de forme de 73%.

  • Titre traduit

    Growth mechanisms of co-evapored CIGSe thin films : towards rapid growth and low temperature


  • Résumé

    Cu(In1-xGax)Se2 solar cells are based on the Mo/Cu(In1-xGax)Se2/CdS/i-ZnO/ZnO:Al structure. Therapid growth of co-evaporated CIGSe thin films at low temperature is an important issue for theindustrial development of CIGSe modules. In order to achieve these 2 targets, CIGSe growthmechanisms during the 3-step process have been investigated. In the present work, a recrystallizationphenomenon has been underlined when the copper content within the CIGSe (0 ≤ x ≤ 0. 3) reaches the stoechiometry, i. E. Y = [Cu]/([In]+[Ga]) ≈ 1. Such a phenomenon is thermally activated and results in the reduction of both the grain boundaries (GB) density and intra-granular defects density. From these observations, a new model based on the grain boundary migration theory is proposed in order to establish a causality relationship between such a composition threshold and the grain boundary motion yielding large grains formation. The understanding of this mechanism allowed the decrease of the deposition time of co-evaporated layers from 23 min (h=16%, FF=76%) to 6 min (h=14%, FF=74%)at Tsub= 600 °C. Within the 3-step process, the homogenous composition of the absorber seemsrestricted by the high speed deposition during the 3rd step. Finally, in order to decrease the substratetemperature, the impact of Mo back contact has been investigated. The sodium diffusion from the glass substrate into CIGSe across the Mo plays an electronical role and is influenced by themolybdenum porosity and Tsub. The experimental optimization of the Mo back contact has allowed the achievement of 13. 5% efficiency with CIGSe absorber synthesized at Tsub = 450°C

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Informations

  • Détails : 1 vol. (106 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. [f. 107-116].

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  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. BU Sciences.
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