L’équipe dispose principalement d’un banc de dépôt par pulvérisation pyrolyse à ultrason utilisé pour le développement de couches d’oxyde transparente conductrices à base de ZnO et de CuO2. Naturellement, outre le bâti de UPS, l’équipe dispose des nécessaires tels les équipements physico-chimiques de préparations des substrats.
Couches minces à base d’oxydes terrestres pour le photovoltaïque: élaboration, caractérisations électriques et optiques et intégration dans des cellules photovoltaïques
La technologie photovoltaïque traditionnelle actuelle basée sur des cristaux de silicium en vrac n’est pas appropriée à être massivement intégrées aux objets et infrastructures de tous les jours, contrairement aux cellules solaires à couche mince, car elle offre la possibilité de réaliser des systèmes PV flexibles. De plus, la technologie des cellules solaires à couche mince présente un intérêt considérable car elle offre la possibilité de combiner des rendements de conversion photovoltaïque élevés et des coûts de production faibles. En particulier, les absorbeurs de chalcogénures de CdTe et de CIGS (Cu2InGa (S, Se)4) ont permis d’atteindre un rendement photovoltaïque pouvant atteindre 20%. Cependant, ces matériaux présentent des inconvénients majeurs: la rareté des matériaux et en particulier de l’indium dont les ressources ne seront plus suffisantes pour répondre à la demande d’ici 2030 et la toxicité de certains de leurs éléments (Cd). Les alternatives proposées jusqu’à présent, et en particulier celles à base de CZTS, CZTSSe (Cu2ZnSn(S,Se)4), ont des rendements photovoltaïques stagnants du fait de plusieurs goulots d’étranglement, notamment la formation de défauts d’alliage et les contacts ohmiques non optimisés. Une alternative prometteuse pourrait venir de l’utilisation de matériaux oxydes abondants dans la terre et qui présente un avantage décisif, à savoir la possibilité de réaliser des cellules solaires entièrement oxydées en utilisant une méthode d’élaboration à faible coût. En particulier, les oxydes de cuivre sont de bons candidats car ils constituent un très bon compromis entre abondance, coût et efficacité. En effet, une cellule solaire ZnO/ZnxGe1-xO/Cu2O a récemment été élaborée (2017) avec un rendement photovoltaïque de 8,1%. De plus, un alliage à proximité, Cu2ZnGeO4, a récemment été élaboré (2017) pour la première fois, montrant un écart optimal pour le photovoltaïque.
Dans le but de développer des cellules solaires à couche mince basées sur des matériaux peu coûteux et abondants, l’équipe a mis en place le projet HECTOR (pour High EfficienCy Thin- films sOlaR cellules porté par S. Hamady). Ce projet a permis l’acquisition d’un équipement d’élaboration de couches par la technique de pyrolyse par pulvérisation ultrasonique. La pyrolyse par pulvérisation est une technique peu coûteuse et très polyvalente, qui permet de développer un grand nombre de matériaux (oxydes compris) constituant l’absorbeur, la couche tampon et le contact transparent (TCO). Ainsi, toute la structure de la cellule solaire peut être réalisée avec le même équipement. Les propriétés structurelles, optiques et électriques pertinentes des cellules et de leurs matériaux constitutifs peuvent être caractérisées en laboratoire.
Dans le but d’augmenter la conductivité des électrodes d’oxydes transparentes, il est admis que la nanostructuration de cette couche TCO peut apporter une solution intéressante. En effet, l’utilisation d’objets conducteurs à fort facteur de forme déposés sous forme de réseaux bidimentionnels aléatoires peuvent, sous certaines conditions avoir un interet certain en terme d’efficacité du dispositifs dans lesquels ils interviennent grâce à une augmentation du facteur de Haze et de la conductivité de la couche. Pour cette raison, nous nous sommes intéressé, dans le cadre d’une thèse de l’Université de Lorraine démarrée avec l’Université Libanaise de Beyrouth au développement de nano-fils de ZnO sur des couches FTO. La technique originale retenue est l’électro-spinning (électrofilage). L’electrospinning est une méthode simple et polyvalente par la voie solution-solide pour produire des nanofibres d’oxyde. Néanmoins, cette technique n’a été que rarement utilisée et abordée dans la littérature pour la réalisation de couches pour l’amélioration des propriétés des couches TCO appliquées au cellules PV. Ce travail est en cours actuellement.
Simulation, optimisation et design de cellules solaires en couches minces
Une revue de la littérature internationale dans le domaine de la fabrication de cellules solaires en couches minces de nouvelle génération montre un effort important en vue de l’optimisation des propriétés des nouveaux matériaux, intervenant dans les différentes couches constitutives des cellules. Nous pouvons citer les matériaux intervenant dans les couches transparentes conductrices, et les matériaux des couches buffer et absorbeur. Des efforts significatifs sont également notables dans le domaine de la simulation des composants ainsi obtenus. Toutefois, il est particulièrement difficile de trouver des analyses complètes utilisant des modèles fondés sur des paramètres expérimentaux. Par ailleurs, l’optimisation théorique de ces cellules avant leur fabrication reste délicate étant donné la complexité des modèles et le nombre de paramètres dont dépend le rendement d’une cellule donnée.
Les cellules sont considérées comme un ensemble complexe à optimiser mais chaque couche est également considérée individuellement dans le cadre d’études matériaux. Ces études utilisent des outils logiciels dans le cadre d’une modélisation fondée sur des paramètres expérimentaux d’une part, et, d’autre part, sur une approche mathématique et à l’état l’art en termes d’optimisation multi-variée. C’est la raison pour laquelle des activités ayant pour objectif l’optimisation théorique des rendements des cellules solaires sont développées au sein de l’équipe. Deux approches modélistiques sont considérées avec d’une part l’étude individuelle des couches et donc des études sur les propriétés matériaux utilisés et d’autre part, l’étude de la cellule complètes avec l’optimisation de ses propriétés en fonctions des paramètres des différentes couches.
Concernant les modélisations des propriétés matériaux, nous nous sommes particulièrement intéressé aux matériaux constitutifs de la couche transparente conductrice (TCO). Nous avons fait le choix de travailler sur des matériaux abondants, à faible impact environnemental et à bas cout. Ces études des couches TCO sont liées aux travaux expérimentaux de croissances réalisées au laboratoire par la technique de Spray Pyrolyse (voir plus bas) ou dans le cadre de collaborations. Les matériaux purs et (co-) dopés étudiés sont ceux à base d’oxyde de zinc (ZnO, AL:ZnO, Ga:ZnO, Sn:ZnO, Al-Sn:ZnO,..) , et ceux à base du dioxide d’étain (SnO2, F:SnO2,…).
Concernant l’étude des propriétés des cellules PV, nous avons récemment travaillé à l’optimisation des propriétés des cellules de la famille CZTSSe et CIGS et des cellules de type InGaN/GaN. Actuellement, les nouveaux développements portent sur des cellules organiques et pérovskites, et des cellules tandems permettant un rendement élevé du fait d’une meilleure couverture du spectre solaire. Des résultats prometteurs ont récemment été obtenus et publiés dans le cadre des cellules solaires à base de nitrure d’indium gallium. Ces optimisations ont permis dans un premier temps de déterminer les paramètres physiques optimaux pour une structure de cellule solaire donnée, dans le cadre contraint des possibilités technologiques, tout en prenant le soin de maximiser les tolérances sur les paramètres, afin d’assurer la robustesse des procédés de fabrication du composant.