Croissance et physique des cellules photovoltaïques CIGS à grand gap

Cu(In,Ga)Se2 is one the favorite semiconductor for producing thin 2nd generation solar cells. Its bandgap increases with the gallium content, starting from 1,02 eV for CuInSe2 (x = 0) up to 1,67 eV for CuGaSe2 (x = 1). Studies on solar cells efficiency versus gallium content show that the best performance is obtained for a bandgap of 1,2 eV (x = 0,35). Above this gallium content the performances of solar cells decrease invariably. The goal of this thesis is to find out why performances decrease for Cu(In,Ga)Se2 solar cells with high Ga content. First, properties of Cu(In,Ga)Se2 are studied through two growth campaigns of Cu(In,Ga)Se2 with various Ga content by PVD. Absorber properties are studied using different characterization techniques. A modeling of (112) XRD peak developped during this Ph. D. is presented. This analysis, which allows to deduce the group III elements distribution shows that the group III elements diffusion is less efficient within cells containing a high amount of gallium. Jointly with the other characterization techniques, results show that the growth temperature usually used (T < 600°C) seems to be too low for absorbers with high gallium content. This growth temperature is limited to 600°C by the soda lime glass substrate. This substrate is used for its thermal expension coefficient close to the Cu(In,Ga)Se2 one. The natrium content of soda lime glass improves the electrical properties of Cu(In,Ga)Se2 solar cells. The last part is devoted to growth of Cu(In,Ga)Se2 at high temperatures. I have been tested several substrates. Then, high temperature growth campaign has been done on sapphire substrate. Results show that increasing the growth temperature improves the Cu(In,Ga)Se2 cristallinity and its microstructure. Nevertheless, as this substrate doesn’t contains natrium, NaF precursor has been used to introduce it into the Cu(In,Ga)Se2 layer for the last two campaigns. Results show that the presence of natrium during the growth of Cu(In,Ga)Se2 layer affects the copper diffusion into the Cu(In,Ga)Se2 and that this effect is more pronounced into layers with a high gallium content.; Le Cu(In(1-x),Ga(x))Se2 est un semi-conducteur à gap direct utilisé comme absorbeur dans les cellules photovoltaïques de 2ème génération. Son énergie de gap qui est de 1,02 eV pour le CuInSe2 (x = 0) augmente avec le taux de gallium pour atteindre 1,67 eV pour le CuGaSe2 (x = 1). Les études portant sur les performances des cellules en fonction du taux de gallium montrent un maximum de rendement pour la composition x = 0,35 (Eg = 1,2 eV). Au delà de cette composition, les rendements chutent invariablement. L’objectif de cette thèse est d’identifier les causes responsables de cette baisse de rendement. Dans un premier temps la baisse de performance des cellules est analysée à travers deux campagnes de croissance de Cu(In,Ga)Se2 par co-évaporation sous vide à taux de gallium variable. Les propriétés des matériaux obtenus sont analysées à travers diverses techniques de caractérisation. Une modélisation du pic de diffraction des rayons X correspondant au plan (112) développée durant cette thèse est présentée. Cette analyse, qui permet de déduire la répartition des éléments III au sein de la couche de Cu(In,Ga)Se2 montre que la diffusion des éléments III est d’autant moins aisée que le taux de gallium est important. Conjointement avec les autres techniques de caractérisation, les résultats laissent suggérer que la température de croissance du Cu(In,Ga)Se2 usuellement utilisée (T < 600°C) est insuffisante pour des couches à fort taux de gallium. Afin d’obtenir une diffusion satisfaisante aboutissant à une meilleure cristallinité et donc des meilleures performances, il semblerait qu’il soit nécessaire d’élever la température de croissance. Cette dernière est limitée par le substrat, le verre silico-sodo-calcique qui perd sa tenue mécanique au-delà de 600°C. Ce substrat est utilisé en raison de son coefficient de dilatation thermique adapté au Cu(In,Ga)Se2 et le sodium qu’il contient qui a un effet bénéfique sur les caractéristiques électriques des cellules. Par conséquent, la dernière partie est consacrée à la croissance à haute température du Cu(In,Ga)Se2. Afin de procéder à la croissance du Cu(In,Ga)Se2 à haute température, j’ai testé plusieurs substrats. J’ai ensuite procédé à une campagne de croissance en température sur le substrat sélectionné, le saphir. Les résultats ont montré une amélioration de la qualité de la microstructure ainsi que de la qualité cristalline du matériau. Toutefois, ce substrat ne contenant pas de sodium, il a été nécessaire de l’incorporer à partir d’un précurseur, le NaF. J’ai effectué deux dernières campagnes de croissance avec incorporation de sodium. Elles montrent, via la technique du “end point detection” qui permet de repérer la stœchiométrie en cuivre, que la diffusion de ce dernier est négativement influencée par la présence de sodium pendant la croissance et que cet effet est d’autant plus important que le taux de gallium augmente.