Etude et élaboration des nanoparticules Cu (In,Ga) (Se)₂ préparées par voie solvothermale et déposées en couches minces par rf-magnétron sputtering

par Achraf Ben Marai

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur. Sciences des matériaux

Sous la direction de Kamal Djessas et de Zouhaier Ben Ayadi.

Le président du jury était Ahmed Rebey.

Le jury était composé de Ahmed Rebey, Hassan Chehouani, Mustapha Najari, Abdesselam Bouloufa.

Les rapporteurs étaient Hassan Chehouani, Mustapha Najari.


  • Résumé

    L’une des solutions proposées pour la diminution du coût par watt d'électricité produite par le photovoltaïque est de réduire la quantité des matériaux semiconducteurs entrants dans la fabrication de la cellule solaire. La 3ème génération des cellules solaires en couches minces nanostructurées vient pour répondre à cette exigence. Les matériaux CIGS sous leurs structures chalcopyrites, sont de nouveaux matériaux semiconducteurs fortement recommandés pour la fabrication des cellules solaires à base de couches minces. La synthèse par la méthode de pulvérisation cathodique et la caractérisation de ces derniers matériaux ont été l’objectif général de cette thèse. Toutes les couches ont été déposées grâce à une seule cible constituée par des grains nanométriques de CIGS, ces derniers ont été obtenus par la voie solvothermale. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié l’effet des différents paramètres de synthèse (température, durée de synthèse, le traitement thermique et l’effet du taux molaire de gallium et d’indium) sur les propriétés des nanoparticules CIGS, les mécanismes réactionnels mis en jeu ont été aussi étudié. Les conditions de synthèse optimales sont une température et une durée de synthèse égale à 220 °C et 24 heures. Après un traitement thermique, les nanoparticules de CIGS sont cristallisées suivant la structure chalcopyrite, avec l’absence des pics correspond aux phases secondaires, les diamètres des grains varie entre 15 et 30 nm. Dans la deuxième partie, Nous sommes intéressés à l’élaboration et la caractérisation des couches absorbantes ternaire et quaternaire de type CIS et CIGS (x = 0 et x = 0.3) obtenues par pulvérisation cathodique en variant la puissance de dépôt de 60 à 100 W. Toutes les couches élaborées présentent la phase chalcopyrite avec (112) comme axe d’orientation préférentiel de croissance. La taille moyenne des grains a le même ordre de grandeur que les poudres initiales. Les couches de CIGS sont généralement de type de conduction p avec des faibles valeurs de résistivités. Les caractérisations optiques des couches présentent une bonne absorption de l’ordre de 95 % dans la gamme de visible et le proche infra-rouge. La variation du coefficient d’absorption en fonction de l’énergie du photon, nous a permis de déterminer l’énergie du gap optique. Les valeurs obtenues pour les différentes couches sont cohérentes avec l’optimum pour la conversion photovoltaïque.

  • Titre traduit

    Study and preparation of nanoparticles Cu(In,Ga)Se2 Synthetized by solvothermal route and deposited in thin films by rf magnetron sputtering


  • Résumé

    One of the proposed solutions for reducing the cost of electricity produced by the photovoltaic is to reduce the amount of incoming semiconductor materials in the manufacture of the solar cell. The 3rd generation solar cells based on nanostructured thin film come in response to this requirement. CIGS under their structures chalcopyrite are highly recommended for the manufacture of this solar cells type. The synthesis of these materials using sputtering method and their characterization were the overall goal of this thesis. All films were deposited onto glass substrates from single target composed trough nanoparticles of CIGS, which are obtained by the solvothermal route. In the first part of this work, we studied the effect of different synthesis parameters (temperature, synthesis time, the heat treatment and the effect of the molar ratio of gallium and indium) on the properties of CIGS nanoparticles. The reaction mechanisms were also studied. The optimum synthesis conditions are a temperature and a synthesis time equal to 220 ° C and 24 hours. After heat treatment, the nanoparticles are crystallized according CIGS chalcopyrite structure, with the absence of the peaks corresponding to the secondary phases, grain size between 15 and 30 nm. In the second part, we are interested in the deposition and characterization of ternary and quaternary absorbent thin film CIS and CIGS (x = 0 and x = 0.3) obtained by sputtering deposition by varying the power of pulverization from 60 to 100 W. All layers have crystallized in the chalcopyrite structure with the preferential orientation in the (112) plane were obtained. The average grain size has the same order of magnitude as the initial powders. All films are generally p-type conduction with low resistivity values. Optical characterizations of the layers exhibit a good absorption in the visible range and the near infrared. The variation of the absorption coefficient as a function of photon energy enabled us to determine the energy of the optical gap. The values obtained for the different layers are consistent with the optimum for the photovoltaic conversion.

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