Optimisation du dépôt de couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 co-évaporées à basse température sur substrat polyimide pour applications photovoltaïques

Optimization of co-evaporated Cu(In,Ga)Se2 layers at low temperature on polyimide substrates for photovoltaics applications

• Auteur / Autrice : Valentin Achard
• Direction : Daniel Lincot, Frédérique Donsanti
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2016; Soutenance le 01/07/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure de chimie (Paris)

Mots clés

Mots clés libres

Dépôt physique en phase vapeur

Cigs

Couche mince

Croissance

Photovoltaique

Pvd

Cigs

Thin film

Growth

Photovoltaic

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’optimiser et de comparer le dépôt d’absorbeur Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) à basse température (<500°C) par co-évaporation et par pulvérisation cathodique et de réaliser des cellules solaires sur subtrat polymère (polyimide) dont les rendements seront similaires à ceux obtenus sur substrats en verre sodocalcique. La technique de co-évaporation consiste à évaporer simultanément plusieurs matériaux sur le substrat. Elle permet de contrôler les caractéristiques compositionnelles, cristallines mais aussi morphologiques de la couche de CIGS. En revanche, il est difficile de la mettre en œuvre à l’échelle industrielle. C’est avec cette technique que les rendements les plus élevés ont été obtenus. La technique de pulvérisation cathodique consiste à bombarder la surface d’un matériau solide appelé cible pour en extraire des atomes qui viendront se déposer sur le substrat. Elle offre des possibilités de mise en œuvre industrielle, il est en revanche plus compliqué de contrôler les paramètres de composition de la couche. Les polyimides sont les seuls polymères commercialisés qui peuvent supporter des températures au-delà de 400°C. Ils possèdent une masse légère, sont isolants et ont une surface plane. Ils présentent cependant des défauts inhérents aux matériaux polymères : une faible stabilité thermique et un coefficient d’expansion thermique assez important (30.10-6 K-1). De plus, les coefficients d’expansion thermique de ces polymères ont tendance à augmenter au-delà de la température de transition vitreuse.Ces substrats ont un potentiel important pour des applications qui nécessitent des modules légers, faciles à déployer et réversibles en particulier les applications BIPV (Building Integrated Photovoltaic), spatiales, militaires ou domestiques.

The objective of this thesis is to compare and then optimize two different deposition processes at low temperature of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), the absorber layer of the solar cell. Solar cells on polymer foils (polyimide) with efficiencies similar to those obtain on glass are expected. Co-evaporation of the CIGS is a method achieving the highest solar cells efficiencies on polyimide foils up to 20.4%. The four constituents of the absorber layer are simultaneously evaporated in a vacuum chamber. It allows to control the composition, the crystanillity and the morphology of the layer. However, this technic is difficult to industrialize as it does not provide uniform coating on large areas. On the other hand, Magnetron reactive sputtering offers more competitive industrial characteristics. However, it is difficult to control the deposition parameters. The sputtering technique involves bombarding the surface of a solid material called target to extract the atoms that will be deposited onto the substrate. Polyimides can handle higher temperature than others polymers (>450°C). They are lightweight, insulating and planar. Nevertheless, they present typical polymers defaults: a low thermal stability and a high coefficient of thermal expansion (30.10-6 K-1). This coefficient is higher with an increased temperature and therefore increases the residual stress in the layer.