Influence de la chimie des joints de grains sur les propriétés des cellules photovoltaïques Cu(In,Ga)Se 2

With efficiency more than 21%, polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) semiconductors present maximum efficiency among thin film solar cells, making them a promising material to develop solar cell modules. Most efficient CIGSe cells produced till date are Ga poor cells (≈7.5% Ga) having band gap (Eg) =1.2 eV, however cells with optimum band gap (according to solar spectrum) 1.4 eV (≈18% Ga) presented much lower efficiency. This degraded performance of wide band gap CIGSe lead to scientific debates for many years suggesting various theories behind its decline in performance. Beneficial properties of Grain boundaries (GBs) are one of the main reasons for high efficiency of CIGSe and modifications in GBs could be the reason for hindered performance of Ga rich cells. In order to detect changes in chemistry of GBs, a technique able to resolve materials at atomic scale is employed in this research, known as atom probe tomography (APT). Exploring GB chemistry, we found that Ga poor cells always exhibit Cu deprived GBs which are known beneficial for cells due to their hole barrier properties, however Cu enriched GBs emerges for Ga concentration higher than 7.5%. This composition surprisingly coincides with decline in CIGSe performance and further increase in Ga concentration results in increase in Cu enriched GBs followed by degraded CIGSe performance. This suggests modifications in GBs can alter device’s performance, hence to retain GB properties some propositions and experiments are illustrated in the end.Avec une efficacité de plus de 21%, le matériau polycristallin semiconducteur Cu(In,Ga)Se2(CIGSe) présente le maximum d’efficacité pour les cellules solaires dites à couches minces. Les cellules CIGSe les plus efficaces produites jusqu'à ce jour sont des cellules pauvres en Ga (≈7.5% Ga) et ayant une largeur de bande interdite (Eg) de 1,2 eV. Cependant, les cellules avec une largeur de bande optimale d’ 1,4 eV (≈18% Ga) présentent une efficacité beaucoup plus faible. Cette dégradation des performances des cellules à large bande interdite CIGSe conduit à des débats scientifiques depuis de nombreuses années ayant mené à diverses théories pour expliquer le déclin des performances de ces cellules avec l’augmentation de Ga. Les propriétés bénéfiques des joints de grains (GB) sont l'une des principales raisons de rendement élevé du CIGSe et les modifications de la chimie des GB pourraient être la raison de la performance limitée des cellules riches en Ga. Afin de détecter des changements dans la chimie des GB, une technique capable d’imager des matériaux à l'échelle atomique est employée dans ce travail : la sonde atomique tomographique (APT). L’exploration de la chimie des GB nous a permis de constater que les cellules pauvres en Ga présentent toujours une déplétion en Cu. Cette chimie semble bénéfique pour les cellules en raison de leurs car les GB agissent alors comme barrière pour trous, évitant ainsi les recombinaisons aux joints de grain. Cependant pour des concentrations de Ga supérieures à 7,5%, un enrichissement en Cu est observé. Cette composition coïncide étonnamment avec la baisse de la performance des cellules CIGSe. Cela suggère que des modifications dans les joints de grains peuvent altérer les performances de l'appareil. Donc, pour améliorer les propriétés des joints de grains, de nouvelles pistes sont envisagées à la fin du document