Mme WAFAE EL BERJALI soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés : « Hétérostructures de semi-conducteurs à base d’éléments abondants pour le photovoltaïque : du matériau au composant », le vendredi 26 septembre 2025 à 09h00 dans l’Amphithéâtre de CentraleSupélec.
Résumé
Face aux limites économiques, énergétiques et environnementales des semi-conducteurs traditionnels, les oxydes métalliques, à base d’éléments abondants et non toxiques, constituent une alternative prometteuse et compatible avec des procédés de fabrication à grande échelle, en vue d’applications optoélectroniques durables. L’objectif de cette étude a été d’explorer le potentiel de deux familles d’oxydes, ZnMgO (type n) et Cu2O (type p), pour la fabrication d’hétérostructures tout-oxyde, en utilisant deux techniques de dépôt en solution à faible coût : spray pyrolyse ultrasonique (USP) et le spin coating. La première étape a concerné l’optimisation des couches minces de ZnMgO, avec des compositions en Mg variant de 0 à 4 %. Les depôts ont été réalisés par USP à partir d’acétate de zinc, avec un pH optimisé à 4 et une concentration de 0.05 M. Un recuit thermique à 300 °C pendant 1.5 h a permis d’amélioer significativement les propriétés structurales (cristallites, texture), optiques (élargissement du gap de 3.28 à 3.34 eV et énergie d’Urbach de l’ordre de 0.07 eV) et électriques (forte réduction de la résistivité, particulièrement à 2 % de Mg). Parallèlement, l’élaboration de couches minces de Cu2O, a été menée par les deux techniques. Le dépôts par USP a mis en œuvre le D-sorbitol comme agent réducteur, permettant d’obtenir une phase cubique pure à une température optimale de 400 °C. Les films présentaient une bonne cristallinité, une conductivité de type p et un gap direct de 2.44 eV. Une deuxième approche par spin coating a été développée à partir de précurseurs éco-compatibles, suivie d’un recuit sous atmosphère d’azote à 300 °C, permettant de contrôler le rapport Cu2O/CuO. Les films ainsi obtenus montraient une bonne homogénéité, un faible taux de rugosité (RMS = 5 nm), et des performances électriques compétitives (résistivité de 210 Ω · cm, mobilité de 30 cm2V−1s−1). Les hétérostructures ZnMgO/Cu2O ont ensuite été fabriquées à l’aide des deux techniques, et caractérisées en détail. Les analyses structurales (XRD), vibrationnelles (Raman) et optiques (UV-Vis) ont confirmé la formation d’interfaces nettes, sans diffusion interfaciale significative, et la conservation de la cristallinité des couches après intégration. L’incorporation de 3 % de Mg dans la couche tampon a permis d’améliorer la qualitité de la couche supérieure de Cu2O, particulièrement dans le cas des depôts par spin coating. Ce travail confirme la faisabilité des hétérostructures tout-oxyde via des procédés sans vide, et constitue une avancée vers la conception de cellules photovoltaïques de nouvelle génération, alliant durabilité, faible coût et compatibilité industrielle.
Abstract
This research is part of an effort to develop thin films based on abundant, non-toxic metal oxides that are compatible with large-scale fabrication processes for sustainable optoelectronic applications. In response to the economic, energy, and environmental limitations of traditional semiconductors, metal oxides composed of earth-abundant and non-toxic elements represent a promising alternative. The main objective of this study was to explore the potential of two material families, ZnMgO (n-type) and Cu2O (p-type), for the fabrication of all-oxide heterostructures, using two low-cost, solution-based deposition techniques: ultrasonic spray pyrolysis (USP) and spin coating. The first stage focused on the optimization of ZnMgO thin films, with magnesium contents ranging from 0 to 4 %. Depositions were carried out using USP from zinc acetate precursors, with an optimized pH of 4 and a concentration of 0.05 M. Thermal annealing at 300 °C for 1.5 hours significantly improved the structural (crystallinity, texture), optical (bandgap widening from 3.28 to 3.34 eV), and electrical properties (notably, a strong reduction in resistivity, especially at 2 % Mg). In parallel, the synthesis of Cu2O thin films, a p-type semiconductor, was performed using both deposition techniques. The USP method employed D-sorbitol as a reducing agent, enabling the formation of a pure cubic phase at an optimal deposition temperature of 400 °C. The resulting films exhibited good crystallinity, p-type conductivity, and a direct bandgap of 2.44 eV. A second approach using spin coating was developed from eco-friendly precursors, followed by annealing in a nitrogen atmosphere at 300 °C, allowing for precise control of the Cu2O/CuO phase ratio. The resulting films demonstrated good homogeneity, low surface roughness (RMS = 5 nm), and competitive electrical performance (resistivity of 210 Ω · cm, mobility of 30 cm2V−1s−1). TheZnMgO/Cu2O heterostructures were subsequently fabricated using both techniques and extensively characterized. Structural (XRD), vibrational (Raman), and optical (UV-Vis) analyses confirmed the formation of well-defined interfaces, with no significant interdiffusion, and the preservation of the crystalline quality of the layers after integration. Incorporating 3 % Mg in the buffer layer improved the quality of the top Cu2O layer, particularly in the case of spin-coated films. This work confirms the feasibility of fabricating all-oxide heterostructures using vacuum-free processes and represents a step forward in the development of next-generation photovoltaic cells that combine sustainability, low cost, and industrial scalability.