Développement de cellules solaires à base de films minces CZTSSe

L'objectif principal de cette these est dirige vers l'etablissement et l'explication des relations entre les conditions de synthese des couches minces de CZTSSe, ses proprietes physiques et les performances des dispositifs photovoltaiques. Pour faire face a cette tâche la premiere approche etait de comprendre le mecanisme de formation de la matiere par rapport aux conditions de croissance du materiau. Le CZTSSe est synthetise par un processus de selenisation en deux etapes, ou une premiere etape de depot par PVD de precurseurs est necessaire, suivie d'une seconde etape de recuit sous atmosphere de selenium. Differents ordres d'empilement de precurseurs ont ete etudies afin de comprendre la sequence de reactions qui, a partir de leur depot, conduise a la couche finale de CZTSSe. Cette etude, fait en plusieurs etapes, a necessite de un effort important sur la caracterisation du materiau a chaque etape de la synthese. Le resultat a montre que dans le cas du procede en deux etapes, le materiau final est independant du depot de precurseurs. Les possibles implications benefiques en raison de l'incorporation de sodium dans le CZTSSe sont egalement decrites. Cette etude est realisee en synthetisant la couche de CZTSSe sur differents substrats contenant different taux de sodium: de cette maniere, pendant la synthese, le sodium migre de substrats vers l'absorbeur. Apres quantification du Na dans le CZTSSe juste apres la croissance, le materiau est caracterise afin d'evaluer sa qualite. Ensuite il est employe dans une cellule solaire complete pour verifier ses proprietes photovoltaiques. Les resultats ont montre que, comme pour la technologie CIGS, le sodium est benefique pour le CZTSSe, permettant l'augmentation de la tension a circuit ouvert et le rendement de cellule. Le molybdene est le contact arriere le plus utilise pour les cellules solaires a base CZTSSe. Cependant, il a ete suggere recemment que le Mo n'est pas stable a l'interface avec le CZTSSe. En outre, a ma connaissance, aucune etude experimentale n'a ete effectuee a ce jour pour tester si les cellules solaires construites sur un autre contact arriere pourraient presenter de meilleures proprietes photovoltaiques. A cet effet, divers metaux (Au, W, Pd, Pt et Ni) sont deposees sur le dessus de Mo et testes comme contacts arrieres dans les cellules solaire a base de CZTSSe. Il est demontre qu'il est possible synthetiser de films minces de CZTSSe de qualite quand le tungstene, l'or et le platine sont employe comme contacts arriere. Il est demontre que les contacts en W et Au permettent d'augmenter le courant photogenere, mais aussi que le Mo reste le meilleur contact arriere en termes d'efficacite de conversion. Les effets de la variation du rapport [S]/([S]+[Se]) sur les performances des cellules solaires a base CZTSSe ont ete etudies. Cette etude a ete faite par simulations des cellules solaires a base de CZTSSe, ou le taux de chalcogenes dans l'absorbeur est varie, avec l'objective de trouver la composition optimale de l'absorbeur. Deux types d'approche differente ont ete etudies: la variation lineaire du rapport des chalcogenes, et une variation parabolique. Les simulations conduisent a un rendement de 16,5% (avec une tension en circuit ouvert de 0,56 V, courant de court-circuit de 37,0 mA/cm2 et un facteur de forme de 79,0%) lorsque la teneur en soufre est diminue lineairement a partir du contact arriere en direction de la couche tampon. Sur la base de ces resultats, nous proposons que l'ingenierie de bande interdite sur la base de la variation du taux [S]/([S]+[Se]) dans l'absorbeur est un outil puissant qui permet d'augmenter les performances des cellules solaires a base CZTSSe sans changer la qualite de l'absorbeur en lui-meme.