Etude des phénomènes de ségrégation du Na dans les cellules solaires CIGS pure soufre

Contexte :

Depuis quelques années, le développement de l’énergie photovoltaïque (PV) semble essentiel afin de minimiser les émissions de carbone dans l’atmosphère et ainsi atteindre les objectifs de neutralité carbone fixés à 2050. Le déploiement de l’industrie du PV s’est grandement accéléré en Europe comme dans le reste du monde. Cette filière du PV est actuellement essentiellement concentrée autour de l’utilisation du silicium cristallin (c-Si) pour la construction des panneaux solaires. Cependant, les rendements associés aux technologies PV utilisées actuellement tendent à atteindre leur limite physique (≈ 30% [1]) ce qui a pour effet de restreindre leur développement.

L’étude proposée s’inscrit dans le cadre du projet ANR WATTELCE. Ce projet a pour objectifs de développer des stratégies d’imagerie corrélative multi-échelle pour explorer les propriétés physiques des matériaux PV afin d’en comprendre les barrières technologiques. Pour cela, le projet s’appuie sur des composés à structure chalcopyrite du type Cu(In,Ga)S₂ à large bande interdite. Ces matériaux trouvent leur intérêt principal dans la mise en place de cellules solaires à deux jonctions, dites tandem, parmi lesquelles nous retrouvons le couplage (Cu(In,Ga)S₂ / Si) qui se place comme l’une des technologies les plus prometteuses pour la future génération de cellules solaires et dont les rendements pourraient dépasser les 45%. Cependant, les rendements actuels obtenus dans les Cu(In,Ga)S₂ restent très limité (16 % [2] contre 29 % accessible théoriquement). L’identification de l’origine de leurs faibles performances est donc nécessaire avant leur introduction au sein d’une structure tandem.

Pour pallier à cela, le projet WATTELCE s’axe autour d’une combinaison unique de méthodes d’analyses (sonde atomique, microscopie électronique, cathodoluminescence, EBIC) afin de corréler les propriétés structurales et chimiques aux propriétés opto-électrique locales de ces matériaux.

Objectifs :

Les rendements des cellules Cu(In,Ga)S₂ peuvent être largement améliorés par l’introduction de sodium (Na) à l’intérieur du matériau lors de son élaboration [3]. L’origine exacte de cette amélioration reste encore incomprise et pourrait être liée directement à la ségrégation des atomes de Na dans la couche Cu(In,Ga)S₂. Celle-ci peut prendre plusieurs formes, à savoir : (i) une accumulation du Na aux joints de grains ou aux interfaces [4], (ii) la formation d’agrégats riche en Na (au-delà de 10%). Cette diffusion du Na dans la couche est étroitement liée aux paramètres d’élaboration permettant la croissance des couches.

L’application (cellule tandem) ciblée par l’étude implique également l’utilisation d’un oxyde conducteur transparent en tant que contact arrière de la cellule. Or, l’utilisation de tel contact entraîne une dégradation de l’interface par l’oxydation du bas de la couche Cu(In,Ga)S₂ et la formation d’un oxyde Ga_xO_y. L’origine de la formation de cette oxyde, son impact sur local sur la structure chimique de la couche Cu(In,Ga)S₂ ainsi que son dopage par les atomes de Na peuvent être d’une importance primordiale pour l’optimisation de la collecte des charges.

L’objectif sera ainsi d’étudier les phénomènes de ségrégation du Na ainsi que l’origine et l’impact de la formation de l’oxyde de Ga dans les cellules Cu(In,Ga)S₂. Cela pourra mener à la mise en place de techniques de microscopie corrélative, permettant d’étudier les propriétés opto-électriques de ces cellules afin de les corréler directement aux propriétés structurales et chimiques locales de ces matériaux.

La thèse sera effectuée au Groupe de Physique des Matériaux (GPM) à Saint-Etienne du Rouvray. Le GPM est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6634) entre l’Université de Rouen Normandie, l’INSA de Rouen Normandie et le CNRS. Le GPM bénéficie d’une plateforme de micro-caractérisation quasi unique en France. Le·a candidat·e évoluera dans un environnement international et sera intégré·e dans le département MFN « Matériaux Fonctionnels et Nanostructures » au sein de l’équipe thématique « Nanomatériaux pour l’optique ». Les principales activités de recherche menées par le département MFN portent sur de l’étude de matériaux à l’échelle ultime pour en comprendre leurs propriétés physiques (électrique, optique …). Les matériaux sont élaborés à l’institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes (IMN). Des déplacements à l’IMN pourront être effectués pour assister à la croissance des échantillons.

Cette thèse s’adresse à des étudiant·e·s ayant suivi un master en science des matériaux, en physique ou autre domaine équivalent et ayant un fort intérêt pour le travail expérimental. Des connaissances et/ou expériences dans le domaine des semiconducteurs, du photovoltaïque, de la microscopie électronique, de spectroscopie de cathodoluminescence, EBIC ou sonde atomique seront appréciées.