Croissance et physique des cellules photovoltaïques CIGS à grand gap ; Growth and physics of wide gap CIGS solar cells

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 ...