Développement de matériaux absorbants de type Kesterite (Cu2ZnSnS4) pour application dans les cellules solaires. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Development of Kesterite (Cu2ZnSnS4) absorber material for solar cell application.

Développement de matériaux absorbants de type Kesterite (Cu2ZnSnS4) pour application dans les cellules solaires.

Charif Tamin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1148478
  • IdRef : 260284203

Résumé

Kesterite-based solar cells still suffer from limited efficiency due to various problems related to the absorber and device interfaces. Absorber defects and non-ideal band alignment at the absorber/buffer hetero-interface, resulting in a cliff-like conduction band offset (CBO), and non-ideal absorber/back contact interfaces are the main factors limiting efficiency.This thesis focuses mainly on the absorber-related problems such as the secondary phases and the band alignment at the absorber-buffer heterojunction as well as the back interface.In the first part, the properties of the absorber layer were studied. Thin layers of Cu2ZnSnS4 (CZTS) were obtained by chemical route. This study revealed the formation of a pure kesterite phase with correct stoichiometry and oxidation state as well as good optical properties.Then, we estimated the band alignment at the CZTS-CdS hetero-interface experimentally by direct X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements. XPS spectroscopy was used to determine the valence band offset (VBO) directly by determining the valence band positions at the heterointerface.The conduction band offset (CBO) value was estimated based on UV/Visible spectroscopy band gap and VBO measurements. The results indicate that the CZTS-CdS heterojunction is type II with a negative cliff-like CBO.Next, we developed a new strategy to address the unfavorable CBO issue at the CZTS-CdS heterojunction by partial substitution of zinc. With this strategy, we were able to highlight a favorable spike-like CBO by partial substitution of Zn with Cd and nearly flat band CBO by partial substitution of Zn with Mn.Finally, a "superstrate" cell architecture was developed by reversing the technological process in order to overcome the back interface problem so as to facilitate the diffusion of the Cd from the buffer layer to the absorber with a view to obtaining an ideal band alignment. From our results, solar cells fabricated with this architecture using FTO and ITO as electrodes show interesting and promising performance. An efficiency of 2.44% was obtained for the ITO-based device, which represents the best current efficiency for this design.
Les cellules solaires à base de kesterite souffrent toujours de rendement insuffisant. Leur efficacité est en effet limitée par plusieurs problèmes liés à l'absorbeur et aux interfaces des dispositifs. Les défauts de l'absorbeur, l'alignement non idéal de la bande à l'hétérointerface absorbeur/tampon, qui se traduit par un décalage de la bande de conduction (CBO) négative en forme de falaise, et les interfaces absorbeur/ contact arrière non idéales sont les principaux facteurs limitant le rendement.Cette thèse aborde les problèmes liés à l'absorbeur notamment les phases secondaires, l'alignement des bandes à l'hétérojonction absorbeur-tampon et l'interface arrière.Dans la première partie, les propriétés de la couche absorbante ont été étudiées. Des couches minces de Cu2ZnSnS4 (CZTS) ont été obtenues par voie chimique.Cette étude a révélé la formation d'une phase pure de kesterite avec une stoechiométrie et un degré d'oxydation corrects ainsi que de bons propriétés optiques.Ensuite, nous avons estimé l'alignement de la bande sur l'hétéro-interface CZTS-CdS expérimentalement par des mesures directes de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). La spectroscopie XPS a été utilisée pour déterminer le décalage de la bande de valence (VBO) directement en déterminant les positions de la bande de valence à l'hétérointerface.La valeur du décalage de la bande de conduction (CBO) a été estimée sur la base des mesures de la bande interdite par la spectroscopie UV/Visible et des mesures du VBO. Les résultats indiquent l’hétérojonction CZTS-CdS est de type II avec un CBO négative de type “cliff”.Ensuite, nous avons développé une nouvelle stratégie pour résoudre le problème du CBO défavorable au niveau de l'hétérojonction CZTS-CdS par substitution partielle du zinc. Grâce à cette stratégie, nous avons pu mettre en évidence un CBO positif de type "spike" par substitution partielle de Zn avec Cd et un CBO à bande presque plate par substitution partielle de Zn avec Mn.Enfin, une architecture cellules "superstrat" qui consiste à inverser le procédé technologique a été développée afin de remédier le problème de l'interface arrière et de favoriser la diffusion du Cd de la couche tampon vers l'absorbeur en vue de former un alignement de bande idéal.D'après nos résultats, les cellules solaires fabriquées avec cette architecture en utilisant le FTO et l'ITO comme électrodes montrent des performances intéressantes et prometteuses. Un rendement de 2,44 % a été obtenu pour le dispositif à base d'ITO, ce qui représente le meilleur rendement actuel pour cette architecture.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03719183 , version 1 (11-07-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03719183 , version 1

Citer

Charif Tamin. Développement de matériaux absorbants de type Kesterite (Cu2ZnSnS4) pour application dans les cellules solaires.. Autre. Université Bourgogne Franche-Comté, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UBFCK035⟩. ⟨tel-03719183⟩
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