Étude de l'effet du dopage et du traitement thermique sur les propriètés optoélectroniques des couches minces d'In2S3 utilisées comme fenêtre optique dans un dispositif photovoltaïque.

par Mouna Kilani

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Alain Foucaran et de Najoua Kamoun Turki.


  • Résumé

    Le présent travail s'articule autour de l'élaboration du matériau binaire In2S3 en couches minces en tant qu'alternative crédible au composé CdS, dans les cellules solaires à base de CuInS2. Nous avons utilisé la technique de dépôt chimique en solution (Chemical Bath Deposition ou CBD) qui est une technique non coûteuse, non toxique et facile à manipuler. Les couches fabriquées sont caractérisées de différents points de vue et à différentes échelles : caractérisations structurale par diffraction de rayons X (DRX), morphologique par Microscopie Electronique à Balayage (MEB), composition chimique par spectroscopie en dispersion d'énergie (EDS), propriétés optiques par spectrophotométrie, et électriques par la méthode du courant thermiquement stimulé (TSC) et par cartographie de courant localisé. L'objectif de ce travail est l'étude systématique des effets du dopage à l'aluminium et à l'étain, et du traitement thermique des films minces de In2S3 déposés sur verre et sur SnO2. Nous avons réalisé tout d'abord par CBD une multicouche d'In2S3 :4%Al formée par trois dépôts successifs sur des substrats verre et SnO2:F. La comparaison des caractéristiques physicochimiques est faite avec la couche non dopée en tant que caractéristiques de référence. L'étude par DRX faite pour différentes concentrations en Al, montre que ce binaire cristallise selon la structure cubique d'orientation préférentielle (400). Une meilleure cristallisation est obtenue pour une concentration en aluminium dans la solution y = [Al]/[In] = 4%. L'analyse optique montre que le gap est direct, il varie de 2,3 à 2,9 eV; la plus large bande optique est obtenue pour y = 4%. C'est une bonne valeur pour l'utilisation du composé β-In2-xAlxS3 comme fenêtre optique dans les dispositifs photovoltaïques. L'étude de l'effet du dopage à l'étain des multicouches d'In2S3, nous a permis de déduire qu'une meilleure cristallinité, une faible rugosité de la morphologie de surface et un gap optique plus proche de l'optimum théorique, sont obtenus pour des films croissants sur le substrat Pyrex avec une concentration d'étain égale à 2‰. L'analyse effectuée par MEB sur la tranche a montré que l'épaisseur moyenne des couches diminue avec l'augmentation de la concentration d'étain. La présence de l'étain, même en très petites quantités induit des changements importants dans le processus de croissance du film. L'étude TSC montre que l'augmentation de la concentration de l'étain au-delà 2 ‰ conduit à une diminution de courant thermiquement stimulé. Le recuit à différentes températures sous azote est appliqué aux couches dopées et non dopées étudiées précédemment. Le traitement thermique sous azote à 400°C provoque une augmentation nette de la taille des cristallites pour pratiquement tous les films minces dopés ou non dopés déposés sur verre ou sur SnO2. L'analyse par diffraction des rayons X a révélé une conversion de la phase cubique (400) à la phase tétragonale (109) pour l'In2S3:4%. Le changement de la forme des cristallites observé par AFM, met également en évidence l'existence d'une autre phase. Les analyses électriques par TSC montrent particulièrement le comportement électrique de type semiconducteur pour les films minces dopés à 4% Al, et recuit à 400°C, ainsi que pour les films minces dopés à l'étain après recuit à 200°C. L'analyse locale du courant de conduction dans la couche de In2S3 fait apparaître des inhomogénéités plus grandes après traitement thermique. Cependant les bons résultats macroscopiques permettent d'envisager sereinement la fabrication de cellules solaires incluant ces couches.

  • Titre traduit

    Study of the effect of doping and heat treatment on the optoelectronic properties of thin films used as optical window In2S3 in a photovoltaic device.


  • Résumé

    The present work focuses on the development of binary material In2S3 thin films as an alternative to CdS in thin film solar cells based on CuInS2. We used the technique of Chemical Bath Deposition (CBD) as it is non-expensive, non-toxic and easy to handle. Layers produced are characterized at different levels and scales: cristalline structure by X-ray diffraction (XRD), surface morphology by Scanning Electron Microscopy (SEM), chemical composition by energy dispersive spectroscopy (EDS), optical properties by spectrophotometry and electrical conduction by thermally stimulated currents (TSC) and local mapping of currents. The objective of this work is the systematic study of the effects of aluminum or tin doping, and heat treatment of In2S3 thin films deposited on glass and SnO2. We achieved first a multilayer of CBD In2S3:Al(4%) formed by three successive deposits on glass and SnO2 substrates. Comparison of physicochemical characteristics is made with the undoped layer as reference features. The XRD study done for different Al concentrations, shows that In2S3:Al crystallizes in the cubic structure with preferential orientation (400). Better crystallization is obtained for a concentration of aluminum in the solution y = [Al] / [In] = 4%. The analysis shows that the optical gap is direct, it varies from 2.3 to 2.9 eV, the largest optical band is obtained for y = 4%. It is a good value for the use of the compound β-In2-xAlxS3 as optical window in photovoltaic devices. The effect of tin doping in In2S3 multilayers induces a better crystallinity, low roughness of the surface morphology and optical gap closer to the theoretical optimum, obtained for films grown on Pyrex substrate with a tin concentration equal to 2 ‰. Analysis by SEM on the wafer cleaved-edge showed that the average thickness of the layers decreases with increasing the concentration of tin. The presence of tin, even in very small quantities induced significant changes in the growth process of the film. The TSC study shows that increasing concentration of tin beyond 2‰ leads to a reduction of thermally stimulated current.Annealing at different temperatures under nitrogen is applied to doped and undoped layers studied previously. Heat treatment under nitrogen at 400 ° C causes a net increase of crystallite size for virtually all thin films doped or undoped deposited on glass or SnO2. The analysis by XRD showed a conversion of the cubic phase (400) to the tetragonal phase (109) for In2S3:Al(4%). Change the shape of the crystallites observed by AFM, also highlights the existence of another phase. The TSC analyzes show particular electrical behavior close to semiconductor type for the thin films doped with 4% Al and annealed at 400°C, as well as thin films doped with tin after annealing at 200°C. The local analysis of the conduction current in the layer of In2S3 shows inhomogeneities larger after heat treatment. However, good macroscopic results should allow to fabricate promising solar cells incorporating these layers.


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