Développement et optimisation du procédé Spray Plasma de dépôt de couches minces d'oxyde de zinc : application aux cellules photovoltaïques

par Kamal Baba

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Mehrdad Nikravech.

Soutenue en 2013

à Paris 13 .


  • Résumé

    Ce travail de thèse a pour but la mise au point et l’optimisation d’un nouveau procédé de dépôt de couches minces d’oxyde de zinc pour des applications photovoltaïques. Le principe de ce procédé, nommé « Spray Plasma », consiste à injecter un aérosol de microgouttelettes d’une solution aqueuse de nitrate ou chlorure de zinc dans un réacteur plasma basse pression. Sous l’effet de l’évaporation rapide et la réactivité du plasma d’argon/oxygène, le précurseur de zinc est transformé en couches minces d’oxyde sur la surface du substrat à température contrôlée. La transformation chimique fait intervenir des radicaux d’oxygène, de OH, des électrons, et des espèces excitées d’argon ou d’oxygène. La caractérisation expérimentale de la décharge par spectroscopie d’émission et par sonde de Langmuir nous a permis de déterminer les paramètres plasma tels que la température électronique (2-4 eV), la température du gaz (400 K), la densité des ions ainsi que l’évolution des espèces réactives du plasma. Parallèlement, ont été développés un modèle hydrodynamique pour calculer l’évolution de la taille et de la température des gouttelettes dans le réacteur d’une part, et un modèle cinétique en volume pour calculer l’évolution des paramètres du plasma d’autre part. La caractérisation des films par différentes techniques (DRX et MEB) nous a montré l’obtention de films nanostructurés avec des vitesses de dépôt de l’ordre de 90 nm/min. Le contrôle des paramètres de dépôt tels que la température du substrat, la concentration en précurseur et la fraction d’oxygène, permet de contrôler l’orientation cristalline, l’épaisseur, la rugosité et la taille des grains des films. Nous avons étudié le rôle de chaque paramètre sur la croissance des films et leurs propriétés structurales, optiques et électriques et corrélé ces résultats avec les caractéristiques du plasma.

  • Titre traduit

    Development and optimization of the Spray Plasma process for zinc oxide thin films deposition : application to photovoltaïc solar cells


  • Résumé

    The aim of this work is the development and the optimization of a new method for ZnO thin film deposition for photovoltaic applications. The principle of this so called Spray Plasma process, is the injection of a spray of micro droplets of an aqueous solution of zinc in a low pressure plasma reactor. Under the effect of evaporation and Ar/O2 plasma reactivity, the precursor is converted to zinc oxide thin films on the substrate surface at controlled temperature. Chemical transformation involves oxygen and OH radicals, electrons and excited species from oxygen or argon. The experimental characterization of the discharge by emission spectroscopy and Langmuir probe allowed the plasma parameters to be determined such as electron temperature (2-4 eV), gas temperature (400 K) and the density of ions. In parallel, two models were developed: a hydrodynamic model to calculate the droplet size and temperature evolution in the reactor, and a kinetic model to calculate the plasma parameter evolution. The characterization of the films by different techniques (XRD and SEM) revealed nanostructured films with a typical deposition rate of 90 nm/min. Control of the deposition parameters such as precursor’s concentration and oxygen ratio allows the control of crystal orientation, thickness, surface roughness and grain size of the deposited films. We studied the role of each parameter on film growth and their properties and correlated these results with the characteristics of the plasma.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (pagination multiple 182-[24] p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris 13 (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis). Bibliothèque universitaire.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TH 2013 034
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