Développement de Cellules Photovoltaiques à base de CIGS de haute performance sur substrats métalliques

par Mishael Stanley

Thèse de doctorat en Chimie Physique

Sous la direction de Negar Naghavi.

Soutenue le 22-05-2019

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut photovoltaïque d’Île-de-France (laboratoire) , École nationale supérieure de chimie (Paris) (établissement de préparation de la thèse) et de Institut photovoltaïque d’Île-de-France (laboratoire) .

Le président du jury était Christel Laberty-Robert.

Le jury était composé de Stéphane Collin, Louis Grenet.

Les rapporteurs étaient Daniel Abou-Ras.


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse est l’optimisation de cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sur substrat métallique à très haut rendement (>20%). Les métaux ont généralement une meilleure tenue mécanique que le verre qui est un matériau fragile. Cela permet par exemple de réduire fortement leur épaisseur et d’obtenir des dispositifs photovoltaïques plus légers. De plus, si leur épaisseur est suffisamment réduite, ils deviennent conformables voire flexibles. Cependant, les substrats métalliques ont leurs propres inconvénients. Ils peuvent contenir des impuretés (ex : Fe) qui dégradent les propriétés électroniques du matériau absorbeur. De plus, leur coefficient de dilatation thermique n’est pas toujours adapté aux procédés d’élaboration à haute température du CIGS. Enfin les cellules CIGS déposées sur substrat verre bénéficient d’un apport de sodium, élément connu pour améliorer les propriétés du CIGS, et apporté par la diffusion de cet élément depuis le verre via le molybdène. L’objectif principal de cette thèse consiste à réaliser des cellules solaire à base de CIGS par la technique de coévaporation sur substrats métalliques ayant des performances les plus proches possibles des cellules sur substrats en verre sodocalcique (>20%). Les problématiques auxquelles cette thèse doit répondre sont le choix du substrat métallique, le blocage de la diffusion des impuretés contenues dans les substrats métalliques, l’assurance d’une adhésion forte au substrat, la réduction des contraintes résiduelles (permettant de garantir l’adhésion) et surtout l’optimisation de la couche de Mo adéquate permettant l’apport nécessaire d’élément alcalin (Na/K,…) pour un CIGS de haute performance et l’adaptation de l’absorbeur à ce type de substrat. En effet la qualité du CIGS sera fortement dépendante de la température de dépôt, de l’apport d’élément alcalin provenant du substrat et des gradients de composition In/Ga du contact arrière vers la surface du CIGS. Il est connu qu’il est nécessaire d’avoir un gradient de gallium dans la couche de CIGS afin d’obtenir des cellules à haut. Le dépôt de couches de CIGS par co-évaporation se fera par la méthode du « three-stage process ». Celle-ci consiste à déposer la couche en trois étapes bien définies. Il est important de bien maîtriser ce procédé afin de pouvoir obtenir un absorbeur de qualité pour les cellules solaires.

  • Titre traduit

    Development of high performance CIGS solar photovoltaic cells on metallic substrates


  • Résumé

    The objective of this thesis is the optimization of solar cells based on Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) on high performance metal substrate (> 20%). Metals generally have better mechanical strength than glass which is a brittle material. This allows for example to significantly reduce their thickness and get lighter photovoltaic devices. Moreover, if their thickness is sufficiently reduced, they become conformable or flexible. However, the metal substrates have their own drawbacks. They may contain impurities (eg Fe) that degrade the electronic properties of the absorber material. Furthermore, their thermal expansion coefficient is not always suitable for methods of making high temperature CIGS. Finally CIGS cells on glass substrate have a sodium intake, known element for improving the properties of the CIGS, and brought by the spread of this element from the glass through the molybdenum. The main objective of this thesis is to make solar cells based on CIGS by co-evaporation technique on metal substrates having the closest possible performance of the cells on substrates of soda lime glass (> 20%). The problems that this thesis must meet are the choice of the metal substrate, blocking the diffusion of impurities in the metallic substrates, ensuring strong adhesion to the substrate, reducing residual stresses (to ensure adherence ) and especially the optimization of the Mo adequate layer allowing necessary intake of alkali metal element (Na / K, ...) for a high performance and adaptation CIGS absorber to this type of substrate. Indeed the quality of CIGS will be highly dependent on the deposition temperature of the intake of alkaline element from the substrate and composition gradients In / Ga the back contact to the surface of CIGS. It is known that it is necessary to have a gradient gallium in the CIGS layer in order to obtain cells high. The deposition of CIGS layers by co-evaporation method will be by the "three-stage process." This involves depositing the layer of three well-defined stages. It is important to control this process in order to get a quality absorber for solar cells.


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