Synthesis of ferroelectric oxides for photovoltaic applications

par Alessandro Quattropani

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Abdelilah Slaoui.

Le président du jury était Nathalie Viart.

Les rapporteurs étaient Mimoun El Marssi, Marie-Paule Besland.

  • Titre traduit

    Elaboration et caractérisation des couches minces tout oxyde pour composants photovoltaïques


  • Résumé

    Dans ce travail, nous avons étudié la croissance de films d’oxydes Bi2FeCrO6 (BFCO) en utilisant les techniques de sol-gel et dépôt par laser pulsé (PLD). Dans le cas de la voie chimique, des précurseurs en solution ont été préparés, puis déposés par centrifugation sur des substrats de silicium (100) ou de quartz. Les nombreuses analyses structurelles (DRX) et d'imagerie (SEM, TEM) effectuées sur ces films BFCO ont montré que les films sont assez homogènes mais présentent de nombreuses phases parasites qui peuvent être éliminés partiellement par recuit thermique rapide. Des dispositifs tests à base de films BFCO par sol-gel ont été préparés et qui ont montré des propriétés électriques limitées à cause des nombreux défauts. Des films BFCO ont également été produits par la technique PLD sur des substrats STO et NbSTO. Les propriétés structurelles, optiques et électriques sont présentées. La diffusion épitaxiale de haute qualité et les films en phase pure sont démontrés par diffraction des rayons X. Nous avons étudié l'évolution de paramètres tels que la bande interdite en fonction des conditions de croissance, montrant qu'elle peut être ajustée de 1, 9 à 2,6 eV. Ce comportement a été corroboré par des calculs théoriques sur l’arrangement atomique dans la structure BFCO. Les propriétés ferroélectriques sont étudiées par microscopie à force piézoélectrique. La lumière s'est avérée avoir un effet sur la polarisation. Il a également été démontré que la mémoire de la polarisation affecte la réponse photovoltaïque. Enfin, des dispositifs basés sur BFCO sont fabriqués et leurs propriétés photovoltaïques sont analysées. Des valeurs de tension de circuit ouvert de 600mV sont encourageantes pour la nouvelle génération de cellules solaires.


  • Résumé

    In this work, we have produced Bi2FeCrO6 oxides (BFCO) by sol-gel technique and pulsed laser deposition (PLD). By sol-gel, precursors in solution were prepared, which are then deposited by centrifugation on silicon or quartz substrates. The numerous structural (XRD) and optical images (SEM, TEM) analyses carried out on these BFCO films show that the films are fairly homogeneous but exhibit many parasitic phases, which they can be partly eliminated by rapid thermal annealing. Finally, we present the first results obtained on BFCO-SG perovskite devices. On the other hand, BFCO films were deposited on STO and Nb:STO substrates. Their structural, optical and electrical properties are presented. High-quality epitaxial growth and pure-phase films are demonstrated by X-ray diffraction. We show that the band gap of the PLD-BFCO films can be tuned from 1, 9 to 2.6 eV thanks to the variation of growth conditions. Theoretical calculations has confirmed the observed behavior and highlight the importance of the ordering phase. The ferroelectric properties of the PLD films are studied by the piezoresponse force microscopy. Illumination is shown to have a strong effect on polarization. We show that the polarization memory affects the photovoltaic response. Finally, devices based on BFCO are manufactured and their photovoltaic properties are analyzed.


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