Process development and scale-up for low-cost high-efficiency kesterite thin film photovoltaics - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Process development and scale-up for low-cost high-efficiency kesterite thin film photovoltaics

Développement de procédés pour des cellules photovoltaïques kesterite en couches minces à haut rendement et bas coût

Résumé

Facing growing energy demand and increasing concerns about climate change and finite energy sources, solar energy use should increase. The future of the different photovoltaic technologies obviously depends on their power conversion efficiency and cost (summarized by the ratio cost per watt), but also on the elements availability. Thin films of earth-abundant kesterite, Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) or Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), which can be manufactured with low-cost processes, are promising candidates for solar energy conversion at large scale. In this thesis, a copper tin and zinc precursor of controllable composition and thickness is electrodeposited on 15 × 15 cm² substrates. Electrodeposition is a process compatible with high throughput low-cost and safety industry requirements. The precursor is converted into a semiconductor by thermal treatments in presence of sulfur or selenium. The resulting Cu-Zn-SnS or Cu-Zn-Sn-Se layers should be uniform and have adequate properties (phases, composition and morphology) to produce high efficient solar cells. Full device processing, including the pn junction formation steps (wet chemical etching and buffer layer deposition) is also investigated in order to maximize device efficiency. The best CZTSe solar cell exhibits a 9.1% power conversion efficiency, setting a new record for kesterite solar cells produced by electrodeposition.
Dans un contexte général d’augmentation de la demande énergétique et de préoccupation croissante face au réchauffement climatique et à la limitation des ressources naturelles, l’utilisation d’énergie solaire devrait augmenter. L’avenir des différentes technologies photovoltaïques dépend évidemment de leur rendement de conversion photovoltaïque et de leur coût (ces deux paramètres peuvent être ramenés au coût par watt) mais aussi de la disponibilité des ressources. La kesterite, Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) ou Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), composée d’éléments abondants dans la croûte terrestre, et pouvant être fabriquée en couches minces avec des procédés à bas coûts, se positionne en candidat prometteur pour la conversion d’énergie solaire à grande échelle. Dans cette thèse, l’électro-dépôt, un procédé compatible avec des exigences industrielles de production de masse à bas coût et de sécurité, est utilisé pour déposer un précurseur de cuivre, étain et zinc sur des substrats de 15 × 15 cm², de composition et épaisseur contrôlables. Ce précurseur est ensuite converti en semiconducteur par traitement thermique en présence de soufre ou de sélénium. Les couches ainsi formées de Cu-Zn-Sn-S ou Cu-Zn-Sn-Se, doivent être uniformes et présenter les propriétés appropriées (phases, composition, morphologie) pour la fabrication de cellules solaires à haut rendement. Le procédé de fabrication de la cellule solaire complète, notamment les étapes qui interviennent dans la formation de la jonction p-n (décapage chimique et dépôt de couche tampon) est également optimisé pour maximiser les rendements. A l’issue de ces optimisations, un rendement de 9.1% est obtenu pour une cellule solaire CZTSe, un nouveau record pour les cellules solaires à base de kesterite fabriquées par électro-dépôt.
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Dates et versions

tel-01314175 , version 1 (10-05-2016)

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  • HAL Id : tel-01314175 , version 1

Citer

Laura Vauche. Process development and scale-up for low-cost high-efficiency kesterite thin film photovoltaics. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université d'Aix Marseille, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01314175⟩
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