Proprietes des couches minces CuInSe2

La consommation d’énergie a considérablement augmenté au cours du vingtième siècle marqué par un développement fulgurant des technologies. Une grande partie de cette énergie est produite à partir des combustibles fossiles qui sont couteux, polluant et existent en quantité limitée. Ce problème sérieux auquel l’humanité est confronté a beaucoup préoccupé les chercheurs qui se sont investis dans d’autres modes de production d’énergie dont le photovoltaïque. L’énergie photovoltaïque est obtenue par la conversion de la lumière solaire en énergie électrique à l’aide de dispositif à semi conducteur appelé cellule photovoltaïque. En effet, les  meilleurs rendements en photovoltaïque ont été obtenus avec les cellules classiques au silicium caractérisées par une courte durée de vie mais aussi une technologie couteuse et complexe. Pour contrer ces difficultés qui gangrènent le développement du photovoltaïque les chercheurs ont exploré les cellules à couches minces.

Les cellules à couches minces sont fabriquées avec des semi conducteurs ternaires et quaternaires dont le plus prometteur est le diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2) noté CIS. Les cellules solaires fabriquées avec ce matériau sont très stables. Elles sont également marquées par une longue durée de vie et un bon rendement 19%. Ce semi conducteur peut être élaboré en phase liquide et en particulier par électrodéposition. C’est une technique non couteuse et facile à mettre en œuvre. Elle permet aussi d’élaborer de large surface et ne nécessite ni vide ni température élevée. Elle sera utilisée dans le cadre de notre travail où l’objectif est de suivre l’évolution microstructure des couches minces CuInSe2 préparées par électrodéposition.

Energie Solaire Matériaux et systèmes (SOLMATS) 

Propriétés structurales

Le CuInSe2 se cristallise sous deux formes structurales qui sont la structure Zinc Blinde ZnS et la structure chalcopyrite. La structure zinc Blinde ZnS appartient aux réseaux cubiques face centré. Les cations (atomes de cuivre et d’indium) sont alors répartis sur les sites du réseau en formant des tétraèdres et les anions (atome de séléniure) au centre de ces tétraèdres (figure 1a) [4].

La structure chalcopyrite CuInSe2 est une géométrie tétragonale. Elle est une superposition de structure Zinc Blende (figure 1b) caractéristique des composés binaires II-VI, qui résulte d’une substitution ordonnée des atomes métalliques Zinc blende de valence 2 par deux métaux de valence moyenne 2 [4 ,2 ,3]. La maille élémentaire de cette structure contient huit atomes dont deux atomes de cuivre, deux atomes d’indium et quatre atomes de sélénium. Un atome de sélénium fait deux liaisons avec un atome de cuivre et deux liaisons avec un atome d’indium [4,5].

Propriétés optiques 

Le rendement d’une cellule solaire dépend de ses propriétés optiques telles que le gap optique et le coefficient d’absorption de la couche absorbante.

Protocole expérimental

Les éxpériences qui ont conduit aux résultats expérimentaux dont nous avons fait usage dans ce document ont été réalisée avec le sulfate de cuivre II penta hydraté (CuSO4.5.H2O), le sulfate d’indium III (In2 (SO4)3, le dioxide de sélénium (SeO2), le sulfate de potassium (K2SO4) et l’acide sulfurique (H2SO4). L’eau doublement distillée a été utilisée durant toute l’expérience pour rincer les différents matériaux et l’oxyde d’étain dopé de fluor ou FTO (SnO2 : F), un transparent commerciale en verre conducteur (15Ω -2) est utilisé comme substrat. Il est nettoyé par traitement dans une chaude solution de détergent pendant une heure suivi d’un traitement par ultrason successive de trente minutes dans un bain d’acétone, d’isopropanol et d’éthanol. La plaque de FTO nettoyée est ensuite rincée par l’eau doublement distillée avant la déposition. Le CuInSe2 est électro déposé dans un bain électrolytique simple contenant 1.28 mM de SeO2, 1.00 mM de CuSO4, 0.8 mM de In2(SO4)3 et 3.0mM de K2SO4. Le potentiel de l’électrode de référence a été fixé au potentiel de l’électrode normal d’hydrogène (ENH) E°= 0.64 V et tous les autres potentiels ont été calculés par rapport à ce potentiel. Ainsi le potentiel appliquée était de – 0.95V par rapport à ECS alors que la charge d’électrodéposition a été fixée à 2.5C.cm-1 et la température d’électrodéposition à 60°C sans aucune excitation. Et enfin les couches minces CuInSe2 obtenues ont été caractérisées par EDS, MEB et spectroscopie Raman.

L’électrodéposition est une méthode simple et facile à réalisée car elle ne nécessite ni vide ni haute température. Elle est non couteuse. Elle permet de traiter de grandes surfaces et d’obtenir des cellules de hautes qualités avec un bon rendement. C’est donc une méthode prometteuse pour les applications industrielles. Cependant elle est confrontée à des difficultés telles que la contamination des couches due au dispositif à trois électrodes, l’uniformité des couches liée à la variation du courant électrique, la variation du pH dans le milieu…

Energie Solaire Matériaux et systèmes (SOLMATS)

Les couches minces CuInSe2 se présentent sous différentes phases microstructurales au cours de leur formation. On note trois principales phases qui sont la nucléation, la croissance et le grossissement caractérisées respectivement par l’adsorption et la réduction des ions Cu2+, la formation du Cu2-xSe et la formation du CuInSe2.

Adsorption et réduction des ions Cu2+ 

L’adsorption est la liaison de réactifs à la surface d’un catalyseur. Un catalyseur est une espèce chimique qui a pour rôle d’accélérer une réaction chimique possible. Dans notre cas le catalyseur est la cathode, les réactifs adsorbés sont les ions Cu2+, Se4+ et In3+. La réaction qui se passe à la surface de la cathode est une réaction électrochimique.

Une réduction est un phénomène chimique au cours de laquelle une espèce chimique cape un ou plusieurs électrons.

Au cours du dépôt les ions de cuivre atteignent la surface de l’électrode où ils occupent des positions plus stables et se séparent de leurs liguant (molécule d’eau ou agents complexant), ils sont adsorbés. Ces ions adsorbés sont ensuite réduits à la surface de l’électrode. Le transport de ces ions vers la surface de l’électrode se fait grâce à la diffusion due au gradient de concentration, à la migration due au champ électrique appliqué et au courant de convection.

Formation du Cu2-xSe
Le fait que la concentration des ions Se4+ (1,28mM) soit largement plus élevée que celle des ions In3+ (0,8mM) explique leur abondance au voisinage de la surface de la cathode où ils sont réduits. Ainsi le cuivre Cu et le sélénium Se réagissent de façon spontanée pour donner le composé Cu2Se qui est une étape initiale des réactions.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRIE I: PROPRIETES DES COUCHES MINCES CuInSe2
I.1 Propriétés structurales
I.2 propriétés optiques
I.3 propriétés électriques
CHAPITRE II : ELABORATION DES COUCHES MINCES CuInSe2 PAR METHODE D’ELECTRODEPOSITION
II.1 principe d’électrodéposition
II.2 Schéma du dispositif
II.3 Protocole expérimental
CHAPITRE III : MECANISME D’EVOLUTION MICROSTRUCTURALE DES COUCHES MINCES CuInSe2
III.1 Adsorption et réduction des ions Cu2+
III.2 Formation du Cu2-x Se
III.3 Formation du CuInSe2
CHAPITRE IV : CARACTERISATION DES COUCHES MINCES CuInSe2
IV.1 Caractérisation compositionnelle
IV.2 Caractérisation structurale
IV.3 Caractérisation morphologique
CONCLUSION GENERALE

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