Preparation and characterization of thin film deposited under vacuum for photovoltaic application

Ce travail porte sur la préparation de couches minces à base de matériaux, Cu₂ZnSnSe₄, Sb₂Se3 et CH₃NH₃PbI₃, à faible coût et efficaces pour applications photovoltaïques. Dans un premier temps, une voie simple a été développée pour le dépôt de couches minces en CZTSe (Cu-Zn-Sn-Se) en utilisant la pulvérisation ionique avec un recuit in situ et sans nécessité de post-sélénisation. Même avec une température de recuit relativement faible de 400 °C, il a été possible d'obtenir des couches optimisées avec une phase CZTSe pure, une cristallisation élevée, une conduction de type P et un band-gap optique idéal. Les premiers prototypes de cellules solaires montrent une efficacité de conversion de 4.17%. Deuxièmement, une nouvelle méthode pour la préparation de Sb₂Se₃ en nano-bâtonnets et en couches minces a été développée en utilisant le procédé de pulvérisation cathodique assistée par magnétron. La microstructure, la morphologie, la composition, les propriétés optiques et électriques des couches en Sb₂Se₃ dépendent fortement de la température du substrat pendant le dépôt. Avec une température de substrat de 325 °C, des couches minces bien cristallisées ont été obtenues avec des grains compacts ayant une taille moyenne d'environ 350 nm. Le mécanisme de formation des couches minces en nono-bâtonnet de Sb₂Se₃ a été proposé. Des cellules solaires basées sur ces couches minces ont été fabriquées avec une forte réponse photoélectrique et une efficacité de conversion de puissance assez élevée de 3,35%. Enfin, une méthode séquentielle modifiée en deux étapes a été mise au point pour la préparation de couches minces en pérovskite organo-inorganique hybride en contrôlant la réaction d’une solution chaude de CH₃NH₃I avec des cristaux PbI₂ évaporés en couche mince. Cette technique de préparation résout le problème de la solubilisation difficile de PbI₂ rencontré avec la méthode de spin-coating classique. Il a été démontré qu’avec une température appropriée (80°C), on peut obtenir rapidement une couche mince de pérovskite cristallisée de grande qualité. Les principales impuretés proviennent de la solution de CH₃NH₃I. Ensuite, une méthode innovante de dépôt physique en phase vapeur a été développée en utilisant directement une seule source de poudre CH₃NH₃PbI₃. Des couches minces de pérovskite avec une couverture de surface uniforme et complète, ainsi qu'une grande pureté de phase et une bonne cristallisation ont été obtenues. Les premières cellules solaires de à base de ces couches minces présentent déjà une efficacité de conversion reproductible autour de 10.90%. Ces résultats encourageants suggèrent que cette méthode est prometteuse pour la préparation de cellules solaires en grande surface à base de pérovskite CH₃NH₃PbI₃.This work was focused on the preparation of new low-cost and efficient alternative materials ( Cu₂ZnSnSe₄, Sb₂Se3 and CH₃NH₃PbI₃) thin films for photovoltaic application. Firstly, a simple route for the deposition of the CZTSe (Cu-Zn-Sn-Se) film by using ion-beam sputtering with in-situ annealing and without the necessity of post-selenization has been developed. . Even with a relatively low annealing temperature of 400 °C, it was possible to obtain optimized films with pure CZTSe phase, high crystallinity, P-type conduction and ideal optical band-gap. The first prototype solar cell devices demonstrate a conversion efficiency of 4.17. Secondly, a novel growth method for Sb₂Se₃ nano-rods and thin film by magnetron sputtering process is developed. The microstructure, morphology, composition, optical and electrical properties of the Sb₂Se₃ films are found to strongly depend on the substrate temperature. With a substrate temperature of 325 °C, well-crystallized Sb₂Se₃ films have been obtained with compact grains having an average size of about 350 nm. . The formation mechanism of Sb₂Se₃ nano-rods thin film has been proposed Solar cells based on this thin film have been fabricated and shows a high photo-response and quite high power conversion efficiency of 3.35 %. Lastly, a modified two-step sequential method by controlling hot CH₃NH₃I solution onto evaporated PbI₂ nano crystals has been proven to be highly efficient for the preparation of organic-inorganic hybrid perovskite thin film. This preparation technique solves the problem of difficult PbI₂ solubilisation in solution in the commonly used spin coating technique. It has been demonstrated that when the CH₃NH₃I solution with appropriate temperature (80 °C) is spin coated on evaporated PbI₂, well-crystallized high quality perovskite thin film can be rapidly obtained. The main impurities come from the solution. Then an innovative full-vacuum physical vapour-deposition method was developed by using a single-source of CH₃NH₃PbI₃ powder. A perovskite thin film with uniform and complete surface coverage as well as with a high level of phase purity and good crystallization has been obtained. The first thin film Perovskite solar cells show already a reproducible conversion efficiency around 10.90%. These encouraging results suggest that this method is promising for preparing larger surface area perovskite CH₃NH₃PbI₃ solar cell