Etude et réalisation de semi conducteurs transparents ZnO dopé vanadium et oxyde de vanadium en couches minces pour des applications photovoltaïques

Investigation and realization of transparent ZnO semiconductors thin films doped with vanadium and vanadium oxide for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Kahina Medjnoun
• Direction : Kamal Djessas, Mohammed Saïd Belkaid
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 07/09/2015
• Etablissement(s) : Perpignan en cotutelle avec Université Mouloud Mammeri (Tizi-Ouzou, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdesselam Bouloufa, Hassan Chehouani, Rezki Ziani, Jean-Luc Gauffier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdesselam Bouloufa, Hassan Chehouani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules photoélectriques

Dispositifs optoélectroniques

Pulvérisation cathodique

Vanadium -- Composés

Mots clés libres

ZnxV1-xO

Nanoparticules

Sol–gel

Couches minces

Pulvérisation cathodiques

Cellules solaires

Dispositifs optoélectroniques

Nanoparticles

Thin films

Sputtering

Solar cells

Optoelectronic devices

Résumé

Nos travaux de recherche ont été réalisés dans le but de développer de nouveaux nanomatériaux semi conducteurs transparents d‟alliages ZnxV1-xO en couches minces nanostructurées destinés aux applications dans les dispositifs optoélectroniques et en particulier dans les cellules photovoltaïques en couches minces à base de CIGS. L‟objectif principal recherché est de mettre en oeuvre des couches tampons/couches fenêtres à base de matériaux exempte de Cadmium et d‟Aluminium ou d‟Indium, comme le ZnxV1-xO respectivement à forte et à faible concentration de vanadium. L'originalité de mon travail est de réaliser à partir du même procédé de dépôt, deux éléments de la cellule CIGS en employant la technique PVD (rf-magnétron sputtering) dont les cibles de pulvérisation sont constituées de poudre nanocristallines préalablement synthétisées par voie sol-gel. Ce protocole d‟élaboration engendre une diminution conséquente du coût de production. Pour se faire, dans un premier temps des caractérisations structurales, morphologiques, optiques et électriques des films minces obtenus ont été menées et leurs paramètres physiques ont été mesurés pour déterminer les conditions optimales de dépôt des couches souhaitées. Les résultats obtenus montrent que des concentrations en vanadium de 20% et de 1% sont respectivement adéquates pour la réalisation des couches tampons et des Oxydes Transparents et Conducteurs (OTC) envisagés. Enfin, pour prévoir et améliorer les paramètres photovoltaïques, une nouvelle architecture de structure photovoltaïque de type Verre/(n+)Zn0.99V0.01O/(n)Zn0.80V0.20O/(p)Cu(In,Ga)Se2 /Mo a été définie et modélisée par simulation en utilisant les résultats expérimentaux déjà obtenus. Ce travail a permis de définir les critères auxquels doit répondre l‟absorbeur CIGS pour l‟obtention du meilleur rendement de conversion de la cellule proposée.

Our research work has been performed with the aim of developing new transparent semiconductor nanomaterials of ZnxV1-xO alloys in nanostructured thin films for applications in optoelectronic devices and in particular in photovoltaic cells in CIGS based thin films. Our main objective is to realize buffer layers/window layers based on materials not containing cadmium, aluminum nor indium, such as ZnxV1-xO at respectively high and low vanadium concentration. The originality of my work is in the realization, starting from the same deposition process, of two elements of the CIGS cell using the PVD (rf-magnetron sputtering) technique, in which the sputtering targets are based on nanocrystalline powders previously synthesized by the sol-gel process. This elaboration method gives rise to a significant decrease in the production cost. In order to achieve this, first of all structural, morphological, optical and electrical characterization of the thin films have been carried out and their physical parameters have been measured in order to determine the optimal conditions of deposition for the desired films. The obtained results exhibit that vanadium concentrations of 20% and 1% are respectively suitable for realizing the desired buffer layers and Transparent Conducting Oxides (TCO). Finally, in order to anticipate and improve the photovoltaic parameters, a new architecture of photovoltaic structure of the type Glass/(n+)Zn0.99V0.01O/(n)Zn0.80V0.20O/(p)Cu(In,Ga)Se2 /Mo has been defined and modeled by simulation using the experimental data already obtained. This work has allowed us to define the criteria which the CIGS absorber must respect in order to obtain the best conversion efficiency of the proposed cell.