Préparation et caractérisation de semi-conducteurs à base de séléniures pour applications photoélectriques

par Shuo Chen

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Xiang Hua Zhang et de Xianping Fan.

Soutenue le 20-11-2018

à Rennes 1 en cotutelle avec Zhejiang University (Hangzhou, Chine) , dans le cadre de Matière, Molécules et Matériaux , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de Institut des Sciences Chimiques de Rennes (laboratoire) .


  • Résumé

    Dans cette thèse, deux semi-conducteurs en séléniure ayant d'excellentes propriétés ont été étudiés afin de développer des matériaux performants pour des applications photoélectriques. Tout d'abord, les nanorodes de Sb2Se3 ont été synthétisés en utilisant une méthode d'injection à chaud, et le plus grand défi associé à la faible conductivité de Sb2Se3 a été relevé en formant des hétérojonctions et/ou par un dopage. Les nanorodes de Sb2Se3 à conductivité électrique nettement améliorée ont été utilisés pour fabriquer des photo-détecteurs prototypes, qui présentent un grand potentiel d'application grâce à leur grande efficacité. Le Sb2Se3 dopés au Sn a été préparé en utilisant un procédé de fusion à haute température. Avec l'augmentation de la concentration en Sn, les cristaux (SnxSb1-x)2Se3 présentent également une grande amélioration de la conductivité et des propriétés photoconductrices. Quatre cibles à base de Sb2Se3 avec la composition chimique de Sb2Se3, Sb2Se3.3, (Sn0.1Sb0.9)2Se3 et Sb2(Se0.9I0.1)3 ont été préparées et les couches minces ont été déposées en utilisant la pulvérisation cathodique. Une étude systématique de la cristallinité, de la morphologie de surface, des propriétés optiques, du type de conduction (p ou n) et des performances photo-électro-chimique des couches minces a été réalisée. Une nouvelle cellule solaire à couches minces de Sb2Se3 avec une quasi-homojonction a été fabriquée pour la première fois et le rendement de conversion atteint déjà un taux très intéressant de 2,65%. Une méthode efficace d'injection à chaud a également été développée pour la synthèse de nano-fleurs uniformes de γ-In2Se3. Une photodiode à hétérojonction formée en déposant une couche mince de nanoflower γ-In2Se3, du type p, sur un substrat en Si de type n, a été fabriquée pour la première fois. Il a été démontré que ce photo-détecteur peut être auto-alimenté avec d'excellentes performances, notamment une réponse rapide et une sensibilité à large bande.

  • Titre traduit

    Preparation and characterization of selenide semiconductors for photoelectric applications


  • Résumé

    In this dissertation, two different selenide semiconductors with excellent properties have been studied in order to develop high performance materials and devices for photoelectric applications. Firstly, Sb2Se3 nanorods were synthesized via hot-injection method, and the biggest challenge of low conductivity of Sb2Se3 nanorods has been overcome successfully by forming heterojunction and/or doping. The Sb2Se3 nanorods with enhanced electrical conductivity were used for fabricating prototype photodetectors, which show great application potential as highly efficient photodetectors. The Sn-doped Sb2Se3 crystals were successfully prepared by using high-temperature melting process. With increasing Sn doping concentration, the (SnxSb1-x)2Se3 crystals also exhibit a great improvement of conductivity and photoconductive properties. Four Sb2Se3-based targets with the chemical composition of Sb2Se3, Sb2Se3.3, (Sn0.1Sb0.9)2Se3 and Sb2(Se0.9I0.1)3 have been successfully prepared by using high-temperature melting technique. Then thin films have been deposited by using RF magnetron-assisted sputtering. A systematic investigation of the crystallinity, surface morphology, optical properties, p/n type and photo-electro-chemical performance of the thin films has been performed. A novel quasi-homojunction Sb2Se3 thin film solar cells was fabricated for the first time and the highest conversion efficiency obtained in our work reaches already a highly interesting 2.65%. An effective hot-injection method has also been developed for synthesizing uniform γ-In2Se3 nanoflowers. An efficient heterojunction photodiode formed by n-type Si substrate and p-type γ-In2Se3 nanoflower film was fabricated for the first time. It has been demonstrated that this photodetector can be self-powered with excellent performance including fast response and broadband sensibility.


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