(CONTRAT DOCTORAL) Croissance et physique des chalcopyrites CIGS à grand gap et cellules photovoltaïques tandem

par Christophe Iatosti

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Olivier Briot et de Antoine Tiberj.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) et de Département Semiconducteurs, Matériaux et Capteurs (equipe de recherche) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    En matière d'énergie renouvelable photovoltaïque, la commission Européenne a établi une « roadmap » en vue d'atteindre l'objectif « 30/30/30 », soit 30 % de rendement, à 30 cents/Wp, en 2030. Aucune technologie actuelle ne peut atteindre cet objectif de hauts rendements à faible coût, seule une combinaison des technologies actuelles, sous la forme de cellules tandem, peut le permettre. Compte tenu des investissements industriels existants, le silicium est forcément la base de ces cellules tandem, associé à des matériaux à plus grand gap (vers 1.7 eV) tels que des pérovskites ou CuGaSe2 (CGS). Notre laboratoire, de renommée internationale en physique des semiconducteurs, a acquis une expertise en matière de fabrication du matériau CIGS par co-évaporation et nous sommes à même de fabriquer des cellules complètes, pour toute teneur en gallium. Nous avons par ailleurs entrepris une étude préliminaire du dépôt de pérovskites en couche minces et nous développons actuellement un partenariat avec une PME régionale spécialiste du photovoltaïque silicium dans l'optique de la réalisation de structure tandem silicium/CGS ou silicium/pérovskites. Le quaternaire CuInGaSe2 (CIGS), dont CGS est la limite haute, permet aujourd'hui d'atteindre des rendements de conversion de 22.7 % pour une composition de 35 % en gallium, à parité avec les meilleurs dispositifs silicium. Lorsque la teneur en gallium augmente, les rendements baissent, contrairement aux prévisions théoriques. Le sujet proposé consiste donc à étudier l'origine physique de cette limitation du rendement dans CIGS à forte teneur en gallium, et à la lever, suivant deux axes principaux : A - origines microstructurales et relations croissance microstructure : La microstructure (taille, composition, orientation, des grains) du matériau est fortement dépendante de la teneur en gallium, et influe à son tour de façon déterminante sur les propriétés électriques et optiques. Il s'agira de préciser la relation entre microstructure et propriétés électriques et de contrôler cette structuration en modifiant les mécanismes de croissance (via la mise au point de protocoles de dépôt optimisés). Les techniques de diffraction de rayons X avancées, Microscopie électronique et à forces atomiques, spectroscopie Raman seront mise en œuvre. Des études spécifiques pourront être demandées auprès de plateformes nationales (EBSD – plateforme METSA), GISAX (Synchrotron ESRF). B – étude des centres de recombinaisons non-radiatives responsables de la baisse du rendement quantique : Etude en photoluminescence en fonction de la température et résolue en temps, Mesures électriques avancées sur les dispositifs (rendement quantique externe en fonction de la température), simulation en utilisant des logiciels tels que SCAPS, SILVACO, …) Enfin, des structures test de cellules tandem seront proposées et fabriquées, afin de quantifier l'ensemble des problèmes de couplage entre une structure C(I)GS et une structure silicium, avec une ouverture possible vers des structures pérovskites. La formation dispensée permettra au doctorant de devenir un spécialiste de croissance cristalline et de physique des semiconducteurs, appliqué aux dispositifs photovoltaïque, dans une optique de valorisation et de transfert industriel, qui lui permettront de poursuivre une carrière aussi bien en recherche que dans l'industrie.

  • Titre traduit

    Growth and physics of wide gap CIGS chalcopyrites for photovoltaic tandem solar cells


  • Résumé

    Regarding renewable energies, the European commission has defined a roadmap toward the « 30/30/30 » objective, meaning 30 % efficiency, 30 cents/Wp by 2030. No existing technology can yet cope with this high efficiency, low cost objective, but a combination of existing techologies can, in the form of tandem cells combining silicon and wider bandgap materials (around 1.7 eV) like perovskites and high gallium content CuInGaSe2 (CIGS). Our laboratory has an established international position in the physics and growth of semiconductors, and has acquired an expert knowledge in the growth of CIGS and production of related solar cells, for all gallium contents. We have also started a preliminary study of the growth of perovskites for photovoltaics, and we have a partnership with a french company in view of developing silicon/CIGS or silicon/perovskites tandem cells. The quaternary material CIGS, for which CGS (100 % gallium) is the upper wide gap limit, has demonstrated conversion efficiencies above 22 %, on a par level with silicon. This happens for a gallium composition around 35 %, but efficiencies decrease when Ga content increases, in contradiction with theoretical predictions. The proposed subject then deals with the study of the physical origin of this limitation of the efficiency, in order to overcome it, following two main axes : A – Microstructural origins and growth/microstructure relation : The CIGS layer microstructure (size, composition, crystalline orientation, of the grains) is strongly dependent upon gallium concentration, and strongly affects the optical and electrical properties. It will be necessary to establish the clear relationship between microstructure and properties, as well as to control this microstructure through the growth mechanisms (by establishing proper optimized growth conditions). Advanced X-ray diffraction techniques, electron microscopy and atomic force microscopy, as well as Raman spectroscopy will be used in that respect. In addition, specific studies may be conducted on National instruments platform (EBSD – METSA CNRS), GISAX at the ESRF Synchrotron. B – Study of non-radiative recombination centers, responsible of the decrease of the quantum efficiency : low temperature and time resolved photoluminescence experiments, along with reflectivity/transmission from 2K to room temperature will be conducted. Advanced electrical measurements will be performed on the realized solar cells (including temperature dependent analysis of efficiency, external quantum efficiency, layers transport properties, …). Simulation will be performed using softwares like SCAPS and SILVACO. . Finally, test tandem structures will be proposed and fabricated, in order to fully quantify the problems related to silicon/CIGS coupling, with possible opening towards perovskites tandem cells. The student will acquire an expert knowledge of material growth, as well as a strong background in material and semiconductor physics, applied to solar cells, in a context of industry/academic coupling, which will enable him/her to easily find a position in the academic or industrial world.