Academic literature on the topic 'Oxides transparents conducteurs'

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de développement de couches d'oxyde transparentes avec des techniques à faible cout, basées sur des matériaux non polluants permettant de fonctionnaliser des dispositifs opérationnels efficace, donc à haut rendement pour la production d'énergies renouvelables. Notre choix s'est porté plus particulièrement sur l'étude des couches TCO à base d'étain et dopés au fluor, F :SnO2, dénommées FTO pour « Fluor Tin Oxydes ». Les FTO sont des oxydes à large bande interdite, à l'instar du ZnO, TiO2, Al2O3, purs ou dopés. Ces couches possèdent en principe un facteur de diffusion, défini précédemment, élevé afin d'améliorer le chemin optique et l'absorption. De plus, la texture optique des TCO peut être facilement contrôlée par dépôt de suspensions de nanostructures avant le dépôt de la couche. Généralement, ces nanostructures sont des nanoparticules voire nano-fils de carbone ou nano-fils métalliques (argent, cuivre, …) et plus récemment des nano-fils de TiO2 (présentant l'inconvénient de l'élément titane) ou de ZnO non-dopés qui diminuent, malheureusement la conductivité du fait de l'augmentation de la résistance d'interface avec la concentration des nanoparticules. C'est pourquoi, nous proposons l'étude de couches de FTO, pures et également en présence de nanofibres de ZnO et ZnO:Al par électrofilage à partir d'une solution à base de PVA afin d'avoir une couche nanostructuré ayant des propriétés de transparence et de conductivité électrique améliorées pour être intégrer comme électrodes transparentes dans les cellules photovoltaïques, répondant aux critères performatifs définis ci-dessus. Les croissances des couches seront suivies par des études morphologiques et structurales, en utilisant des techniques de caractérisations disponibles au sein du laboratoire LMOPS et de l'Université de Lorraine ( tel que: MEB, Raman, EDX, DRX, spectroscopie UV-vis, ATG, AFM, profilomètre). Enfin, les propriétés électriques et optiques, en particulier l'absorption et le facteur de Haze, seront aussi largement investies sur les couches sélectionnées présentant les meilleures propriétés structurales et morphologique
My thesis work entitled “Development of ZnO-FTO nanocomposites for the use in transparent conductive thin films” is supervised by Professor Michel Aillerie at University of Lorraine. This work was mainly made at the “Laboratoire des Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes” LMOPS in Centrale Supélec, Metz. Although this work forms a whole in the elaboration of transparent conductive oxides, it is divided into two parts. The first part consists on identifying the properties of bulk materials (ZnO and FTO) deposited in the form of thin film. Whereas, the second part is about the elaboration and characterization of Zinc Oxide (ZnO) and Aluminum doped Zinc Oxide (AZO) nanofibers, then associated to FTO thin films to form nanocomposite. The main objective of this work is to make flexible electrodes using low cost and abundant material, but also improving the optical properties and more specifically the haze factor of the nanocomposite layers.Transparent conductive oxides (TCOs) are technologically significant class of materials extensively used in thin film solar cells due to their ability to transmit light and collect charge carriers. In addition to the fundamental qualities of transparency and conductivity, the TCOs are frequently desired to have a certain degree of surface roughness (i.e., texture) in order to effectively scatter transmitted light into the active materials, therefore lengthen the optical path and, as a result, enhance the performance of the cell and light absorption. This thesis focuses on the development of low-cost fabrication techniques for transparent oxide layers using non-polluting materials to enable the functionalization of operational devices with high efficiency for renewable energy production. The choice was made to study tin-based TCO layers doped with fluorine, F:SnO2, known as FTOs for "Fluor Tin Oxides". FTOs are wide band gap oxides, like ZnO, TiO2, Al2O3, pure or doped. In principle, these layers have a high scattering factor, as defined above, in order to improve the optical path and absorption. In addition, the optical texture of TCOs can be easily controlled by depositing suspensions of nanostructures before the film deposition. Generally, these nanostructures are nanoparticles or even carbon nanowires or metallic nanowires (silver, copper, ...) and more recently nanowires of TiO2 (presenting the disadvantage of the titanium element) or of undoped ZnO which unfortunately decrease the conductivity due to the increase of the interface resistance with the concentration of the nanoparticles.Therefore, we propose the study of FTO thin films, pure and also in the presence of ZnO and AZO nanofibers by electrospinning from a PVA-based solution in order to have a nanostructured layer with improved transparency and electrical conductivity properties to be integrated as transparent electrodes in photovoltaic cells, meeting the performance criteria defined above. With the characterization techniques available in the LMOPS laboratory and the University of Lorraine (SEM, Raman, EDX, DRX, UV-vis Spectro, ATG, AFM, profilometer) the growth will be followed by morphological and structural studies of the layers. Finally, electrical and optical properties, in particular absorption and scattering factor, will also be extensively investigated on selected layers with the best structural and morphological properties and the minimum of interface defects when deposited on a PV structure

La technologie de cellules solaires dite à « hétérojonction de silicium » (SHJ) est la technologie basée sur un absorbeur en silicium atteignant les plus hauts rendements de conversion, avec un record à 27,09%. L’hétérojonction de silicium est actuellement en plein développement industriel, avec des annonces de fabrication d’usines pour une capacité totale > 218 GW. Néanmoins, la production de cellules SHJ risque d’être confrontée à des problèmes d’approvisionnement de certains matériaux : cette production pourrait être limitée à 37-95 GW/an par les ressources en indium (In). L’indium est utilisé dans les couches de TCO (oxyde transparent conducteur) utilisées de chaque côté des cellules SHJ, principalement sous forme d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO) pour ses excellentes propriétés opto-électriques (transparence et conductivité). Afin que la production de cellules SHJ soit plus durable, il est donc nécessaire de trouver des solutions pour diminuer la dépendance à l’indium.Ces travaux de thèse cherchent donc à trouver des solutions pour diminuer les quantités d’indium utilisées dans les cellules SHJ, sans perte de rendement ni de fiabilité en environnement module, avec des procédés compatibles avec une production industrielle. Deux solutions seront ici investiguées.Premièrement, l’utilisation de couches ultrafines d’ITO (< 15 nm contre les 100 nm classiquement utilisés) couplées à des couches SiN:H sera investiguée. Nous verrons que, grâce à l’utilisation de couches sélectives alternatives en face avant ((n) nc-Si:H), il est possible d’utiliser des couches d’ITO jusqu’à 15 nm en face avant sans pertes de rendement à l’échelle module (-85 % d’In en face avant), avec de plus une résistance accrue aux UV et une tenue à l’humidité comparable aux modules de référence. Cette solution a cependant entraîné des pertes en rendement non négligeables (-0,3%abs) pour la face arrière à cause de pertes résistives, qui pourraient potentiellement être limitées enutilisant des couches (p) nc-Si:H en face arrière.La seconde solution explorée est l’utilisation d’un TCO ne contenant pas d’indium : l’AZO (oxyde de zinc dopé à l’aluminium). Nous verrons que la plus faible transparence de l’AZO s’est révélée problématique pour l’obtention de rendements de conversion satisfaisants, mais qu’en utilisant des couches plus fines en face avant (30 nm), couplées à des couches SiN:H, des rendements comparables aux cellules de référence ont été atteints (-100 % In en face avant). Pour la face arrière, la faible transparence des couches d’AZO ne nous aura pas permis d’atteindre des rendements satisfaisants. Néanmoins, il est connu que l’AZO souffre de dégradations importantes lors d’une exposition à l’humidité. Nous avons icimontré que lorsque les couches d’AZO sont intégrées en face arrière, la tenue à l’humidité est satisfaisante, et qu’elle est améliorée lorsqu’une couche d’ITO de 10 nm est déposée sur les couches d’AZO. Toutefois, lorsque des couches fines d’AZO sont utilisées en face avant et couplées aux couches SiN:H, de fortes pertes de FF apparaissent après 500 h de tests en chaleur humide. L’utilisation de couches diélectriques alternatives ou des changements d’architecture module pourrait permettre de solutionner cela
Silicon heterojunction cells are currently the silicon-based single junction cells with the highest conversion efficiency, with record of 27.09%. SHJ cells are very attractive for industrial production, and many companies are announcing/building new SHJ capacities for an estimated overall nameplate capacity > 218 GW worldwide. However, with such volumes, SHJ cell manufacturing could be limited to 37-95 GW/year due to the indium (In) supply, considering the actual material consumption. Indium is used in TCO (Transparent Conductive Oxides) layers, deposited on both sides of the cells, commonly in the form of tin-doped indium oxide (ITO) for its excellent opto-electrical properties (transparent andconductive). With the rapid upscaling of SHJ and other In-rich technologies, we can expect increase in In prices, or even material shortage. Thus, in order to have a more sustainable SHJ cell production, it is necessary to find solutions to decrease indium usage.Hence, this thesis aims at finding solutions to decrease indium usage in SHJ cells, without efficiency or reliability losses in a module environment, with processes compatible with industrial production. Two solutions will be investigated here.First, ultrathin ITO layers (< 15 nm against the 100 nm commonly used) coupled with a SiN:H layer will be experimented. We will see that, thanks to alternative selective layers on the front side ((n) nc-Si:H), it is possible to use ITO layers as thin as 15 nm on the front side without efficiency loses (-85% In on front side), with an enhanced UV reliability and a resistance against humidity comparable with reference cells at module level. However, this solution showed its limitations on the rear side, due to resistive losses. The development of p doped nc-Si:H layers could potentially allow a better integration of those ultrathin ITO layers on the rear side.The second solution explored in this work is the use of an In-free TCO: AZO (aluminum doped zinc oxide). We will see that the lower transparency of AZO was shown to be problematic, but thanks to the use of thinner layers on the front side (30 nm) coupled with an SiN:H layer, we reached efficiency comparable to that of the reference cells (-100% In on the front side). On the rear side, the lower transparency of AZO was also shown to be troublesome, and decreasing the AZO layer thickness led to resistive losses. Moreover, AZO is know to suffer from severe degradations when exposed to humidity. We showed here that when used on the rear side of SHJ cells, AZO layer only led to minor degradation increase upon damp heat (DH) tests and that when an ultrathin 10 nm ITO layer is deposited on top ofthe AZO layers, the reliability against humidity is improved. However, the cells using thin AZO layers coupled with SiN:H layers on the front side showed important FF losses after 500 h of DH tests, attributed to an interaction between the AZO and SiN:H layers. Thus, it is necessary to investigate the use of alternative dielectric layers, or to change the module architecture to solve this issue

Grace à leurs propriétés fonctionnelles prometteuses, l’étude des oxydes ternaires à base de vanadium déposés sous forme de couche mince ont suscité beaucoup d’intérêt et ont fait l’objet d’une activité intense en recherche dans le domaine optoélectronique et photovoltaïque.Durant ce travail de thèse, on a étudié dans un premier temps la possibilité d’utiliser les métaux fortement corrélés tel que SrVO3 comme étant un oxyde transparent et conducteur (TCO). Pour cela, on a étudié l’évolution des propriétés optoélectroniques en fonction des conditions de croissance du SrVO3 déposé sous forme de couche mince. Dans un deuxième temps, notre étude s’est focalisée sur la réalisation d’une ingénierie de cellule solaire basée sur les hétérostructures tout oxyde de différentes bandes interdites. Pour cela, par un choix judicieux de la largeur de bande interdite de certaines pérovskites, nous avons synthétisé le LaVO3, dont l’absorption est optimale dans le spectre solaire, sur un substrat SrTiO3 sous différentes conditions de croissance. Du point de vue optique, l’étude des hétérostructures LaVO3/SrTiO3 déposé à basse pression d’oxygène a mis en évidence que le film LaVO3 possède une bande interdite de 1.18 eV se situant dans la plage optimale pour le photovoltaïque. Du point de vue électrique, l’interface polaire LaVO3/ SrTiO3 génère une couche d’interface conductrice qui servira de contact électrique pour les cellules solaires. Un autre intérêt du LaVO3 est sa structure cristalline commune à un grand nombre d’oxydes possédant des différentes valeurs des bandes interdites. Pour réaliser notre système, nous avons choisi en particulier la pérovskite LaFeO3 ayant une bande interdite de 2.2 eV, supérieure à celle du LaVO3 afin d’améliorer l’absorption optique à haute énergie. Une fois les propriétés optoélectroniques ont été établies, nous avons synthétisé l’empilement LFO/LVO sur un substrat SrTiO3 à basse pression d’oxygène. L’évolution des propriétés de notre système en fonction de l’épaisseur de LaFeO3 déposé est également étudié, mais jusqu’à présent aucune propriété de photoconductivité n’a été obtenue
Due to their promising functional properties, ternary oxide thin films based on Vanadium have gained much research interest in photovoltaic technologies.During this work, we first studied the possibility to use the strongly correlated metal SrVO3 as a transparent conducting oxide (TCO). For this reason, we have studied the optoelectronic properties of SrVO3 under different growth conditions. Second, our study was focused on making band gap-graded design solar cells based on oxide heterostructures. LaVO3 is particularly interesting due to its optical band gap localized in the optimal range for harvesting solar light. Accordingly, the LaVO3 was synthetized on SrTiO3 substrate under different growth conditions. Optical measurements reveal that LaVO3/SrTiO3 heterostructure grown at low oxygen pressure possess a band gap of 1.18 eV in the ideal energy range for photovoltaic. Electrical properties show that the interface LaVO3/ SrTiO3 is conducting, serving as an electrical contact for solar cells. Another interest of LaVO3 is its crystalline structure offering the possibility to combine it with other structurally compatible transition metal oxides with larger band gap such as LaFeO3 (2.2 eV) in order to enhance the optical absorption at high energy. Once the optoelectronic properties have been established, the LFO/LVO heterostructure was synthetized on SrTiO3 substrate at low oxygen pressure. The physical properties of our system have been also investigated for different LaFeO3 thickness but, to date, no photoconductivity was obtained

L’oxyde de zinc dopé de type n est un excellent candidat pour la réalisation de films transparents et isolants thermiques grâce à ses propriétés d’absorption et de réflexion limitées aux domaines UV et IR. La synthèse en milieu polyol de particules nanostructurées d’oxyde de zinc dopé par du gallium a été utilisée afin de maîtriser la morphologie des cristallites. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que le maximum d’efficacité d’absorption IR est atteint pour un taux de dopant de 2,6 % molaire. Des suspensions de haute transmission dans le visible et absorption infrarouge significative ont été obtenues par l’encapsulation des particules avec un matériau fluoré d’indice de réfraction intermédiaire entre l’oxyde et le milieu dispersant, ainsi que par l’optimisation de l’état de dispersion de suspensions colloïdales grâce à l’adsorption de thioalcanes en surface des cristallites de ZnO dopés
Thanks to its absorption / reflexion properties limited to the UV and the IR range, n-doped zinc oxide is a promising candidate for the elaboration of transparent and insulating films in smart windows. Nanostructured particles of Ga-doped zinc oxide were elaborated by polyol process. Polyol process was used in order to control the size and the morphology of the particles. Both experimental and theoretical data show that a maximum of IR absorption efficiency is obtained for a doping rate of 2.6 molar percent. Colloidal suspensions with high transmission in the visible range combined with significant absorption of the near infrared range were obtained using two strategies. The first one is the encapsulation of the Ga-doped ZnO particles by a fluoride shells with an intermediate refractive index between ZnO and the dispersion medium. The second one is the optimization of the dispersion state of nano-colloidal suspensions thanks to the adsorption of thioalkanes on the Ga-doped ZnO crystallite surfaces

Le photovoltaïque nécessite de nouveaux matériaux pour diminuer ces coûts et améliorer les rendements. Ces travaux de thèse ont concerné le développement de nouvelles phases d'oxyde de titane pour l'électronique transparente et la conversion de photon appliquée au PV silicium. L'ablation laser pulsé est une méthode de croissance particulièrement adaptée pour la prospection de matériaux aux propriétés innovantes. Le contrôle des phases anatase, rutile et d'une phase de composition TiO1.45 épitaxié en fonction de la pression partielle d'oxygène a permis de réaliser des films aux propriétés électriques, optiques innovantes. Un film biphasé anatase/rutile dopé niobium (TNO1.80) présente ainsi une transition métal-semi-conducteur aux alentours de 68K. Par ailleurs, le film de composition TiO1.45 épitaxié s'est révélé être un oxyde transparent conducteur de type p. La découverte de ce nouveau p-TCOs a été valorisée et validée par l'élaboration d'une homojonction p - n transparente. Les matrices d'oxyde de titane rutile et anatase ont également été utilisées pour accueillir des ions terres rares Ln3+ afin de convertir les photons ultra-violet du spectre solaire incident vers le proche infrarouge (800 > λ > 1100 nm). Le transfert d'énergie des matrices TiO2 vers les dopants Ln3+ a été étudié en fonction de la structure, de la quantité de dopant ainsi que la qualité de la microstructure des films dopés Ln3+ (Ln3+=Pr3+,Tm3+,Eu3+,Yb3+,Nd3+).

L'électronique transparente est actuellement limitée par la difficulté de construire une jonction p-n transparente, en raison du manque d'oxyde transparent conducteur (TCO) de type p réellement performant. L'oxyde cuivreux Cu2O est un TCO de type p prometteur, mais sa bande interdite relativement étroite pour un TCO (2,1 eV), limite sa transmittance dans le domaine visible. Dans le cadre de cette thèse, nous cherchons à augmenter cette valeur. Pour cela, nous explorons la méthode MOCVD comme technique de dépôt pour le dopage au strontium et au calcium de l’oxyde cuivreux. Ce dopage est supposé élargir la bande interdite du Cu2O d'après des calculs ab initio effectués à l'institut Tyndall, à Cork. Dans le chapitre I, nous présentons le contexte de cette thèse. Après avoir expliqué les conditions que doit remplir un matériau pour être un TCO de type p, nous présentons l'état de l'art concernant le Cu2O. Dans le chapitre II, nous présentons l'ensemble des techniques utilisées dans le cadre de cette thèse, de l'élaboration (MOCVD, recuits thermiques) à la caractérisation (MEB, MET, AFM, DRX, spectroscopie FTIR, spectroscopie Raman, XPS, spectroscopie UV-vis-NIR, mesures 4 pointes et mesures d'effet Hall). Au cours du chapitre III, l'influence des paramètres de la MOCVD sur la composition et la morphologie a été analysée pour l’élaboration de couches de Cu2O pures, non dopées en vue d'établir les conditions optimales de dépôt. Nous obtenons des couches continues sur substrat de Si/SiO2, alors qu'elles sont systématiquement hétérogènes avec des zones sans dépôt sur silicium. En outre, nous mettons en évidence le risque d'obtenir la phase cuivre métallique lorsque la concentration de précurseur est élevée, la pression partielle d'oxygène faible et/ou la température élevée. Partant de ces conditions optimales, nous étudions dans le chapitre IV l'influence du dopage au strontium sur les propriétés fonctionnelles des couches (résistivité, largeur de bande interdite et transmittance dans le visible). Une chute de la résistivité a été observée lors du dopage au strontium. Les couches non dopées ont des résistivités de l'ordre de 103 Ω.cm ou plus, contre 10 Ω.cm pour les couches contenant entre 6 et 15% de strontium. La conductivité est bien de type p avec une mobilité de l’ordre de 10 cm2.V-1.s-1 et une densité de porteur de quelques 1016 cm-3. L’écart très grand entre cette densité de porteur et la teneur globale en Sr est lié à la présence d’une contamination des couches par du carbonate et du fluorure de strontium mis en évidence par FTIR et XPS. L’influence réelle de ces impuretés n’a pu être déterminée. Enfin il n'a pas été constaté de variation significative des propriétés optiques, la bande interdite restant large d'environ 2,4 eV et la transmittance moyenne entre 500 et 1000 nm de l'ordre de 55%. Des tendances similaires sont observées dans le chapitre V qui aborde le dopage au calcium, avec comme particularité le fait pour un fort taux de dopage et sous assistance UV, d'aboutir à la présence d'espaces vides localisés à l'interface substrat/Cu2O qui pourrait être lié à la décomposition du carbonate de calcium. Finalement, nous procédons à des recuits thermiques des couches, dopées ou non, dans le chapitre VI. Pour les couches non dopées, cela permet de diminuer la résistivité jusqu’à des valeurs de 10-100 Ω.cm. Pour les couches dopées, cela permet aux couches ayant une résistivité initiale de 10 Ω.cm de descendre jusqu'à 1 Ω.cm. Au cours de cette thèse, nous avons établi les effets du dopage au Sr ou Ca qui conduisent à une forte chute de résistivité sans impact sur les propriétés optiques à la différence des résultats prévus par les calculs ab initio. Nous sommes ainsi parvenus à améliorer les propriétés des couches Cu2O transparentes de type p
Transparent electronic is currently limited by the lack of a really performant p-type transparent conducting oxide (TCO), which makes the elaboration of a transparent p-n junction challenging. Cuprous oxide Cu2O is a promising p-type TCO, but its optical transmittance in the visible spectrum is limited by its relatively low band gap (2.1 eV). In this thesis, we aim at increasing this value. To achieve that, we explore MOCVD as the growth method for strontium and calcium doping of cuprous oxide. According to ab-initio calculations performed at Tyndall Institute in Cork, doping with these elements is supposed to increase the band gap of Cu2O. In chapter I, we introduce the context of this thesis. After explaining the required conditions that a material must fulfil to be a p-type TCO, we present the state of the art of Cu2O. In chapter II, we present all the techniques used in this work, from the elaboration (MOCVD, thermal annealing) to characterization (SEM, TEM, AFM, XRD, FTIR, Raman spectroscopy, XPS, UV-vis-NIR spectroscopy, 4 point probe and Hall effect measurement). In chapter III, our objective is to synthesize pure, undoped Cu2O thin films. We explore the influence of the MOCVD parameters on the films composition and morphology. We get homogenous films on Si/SiO2 substrates, while we get heterogeneous films with un-deposited parts on silicon substrate. In addition, we show the risk to get the metallic copper phase when precursor concentration is high, oxygen partial pressure is low, and/or temperature is high. This enables us to determine the optimal deposition conditions. Starting from those optimal conditions, we study the influence of strontium doping on the functional properties of the films (resistivity, band gap and visible light transmittance) in chapter IV. A decrease of resistivity was observed with strontium doping. While undoped films show resistivity values of 103 Ω.cm or more, films doped from 6 to 15% strontium show resistivity values of about 10 Ω.cm. P-type conductivity was confirmed through Hall effect measurements, with a mobility close to 10 cm2.V-1.s-1 and a charge carrier density of about 1016 cm-3. The large difference between this carrier density and the Sr concentration can be linked with the presence of a strontium carbonate and fluoride contamination that was detected by FTIR and XPS. The exact influence of those impurities is not well known. In addition, no significant variation of optical properties was observed, the band gap remained close to 2.4 eV and average transmittance in the 500-1000 nm range was about 55%. Similar tendencies were observed for calcium doping, addressed in chapter V. Calcium doping showed the particularity of leading to the presence of cavities localized at the substrate/Cu2O interface, for a high dopant concentration and under UV assistance. Eventually, we performed thermal annealing on some samples, doped and undoped, in chapter VI. For undoped samples, it allowed to decrease resistivity in the 10-100 Ω.cm range. For doped samples, it allows samples showing initial resistivity of about 10 Ω.cm to decrease it to 1 Ω.cm. No impact of thermal annealing on sample morphology or composition was observed. In this thesis, we successfully established the effects of Sr or Ca doping, which lead to a significant decrease of the resistivity without impact on the optical properties, unlike what was predicted by the ab initio calculations. We were thus able to improve the p-type transparent Cu2O thin films properties

Les semi-conducteurs transparents de type oxyde, communément appelés TCO (Transparent Conducting Oxides) sont utilisés comme électrodes transparentes dans des nombreux d'applications telles que les cellules solaires, les écrans à cristaux liquides, les écrans tactiles et autres. Toutefois, les applications technologiques sont actuellement limitées puisque les TCO possédant des propriétés électriques et optiques satisfaisantes sont uniquement des semi-conducteurs de type n. Les oxydes de cuire de structures delafossite ACuO2 ou du type SrCu2O2, présentent des prometteuses avec un comportement de semi-conduction de type P et une faible absorption optique dans le spectre visible. Dans cette thèse, le systèm MOCVD (Dépôt chimique en phase vapeur du métal organique) a été utilisé pour le dépôt des couches minces de SrCu2O2. Cette phase est obtenue après quelques étapes de recuit sous oxygène puis argon, ou azote uniquement avec en particulier la nécessité de réalier des recuit rapaides. Les propriétés électriques et optiques mesurées pour la couche mince de SrCu2O2 ont un ordre de grandeur similaire à ce qui est publié dans la littérature.

Les cellules solaires en couches minces à base de Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) représentent une technologie à fort potentiel et aux performances photovoltaïques élevées. La couche finale de l'empilement, appelée couche fenêtre, est principalement composée d'une bi-couche d'oxyde de zinc (ZnO) non dopé et dopé de type n - généralement à l'aluminium - et déposée par un procédé sous vide : la pulvérisation cathodique. Cependant, cette technique demande des investissements importants et un intérêt croissant s'est porté sur le développement de techniques alternatives atmosphériques en vue d'une réduction des coûts. L'objectif de ce travail a été d'étudier la réalisation d'une couche fenêtre fonctionnelle de ZnO par un procédé d'électrodépôt photo-assisté en milieu aqueux sur des substrats de grandes dimensions. Pour y parvenir, différentes études ont été réalisées afin de déterminer les propriétés du ZnO électrodéposé et optimiser le procédé de dépôt. Dans un premier temps, l'influence de la composition de trois solutions électrolytiques sur les propriétés et le dopage du ZnO a été étudiée : le milieu chlorure (Cl-), le milieu perchlorate (ClO4-) et un milieu mixte à base de perchlorate et d’acide borique (H3BO3). Dans un second temps, la synthèse électrochimique du ZnO comme couche fenêtre a été réalisée sur des substrats de CIGS/CdS. Son étude a permis de montrer que la réalisation in situ d'une couche d'accroche facilite la croissance d'une couche finale dense et compacte. Cette méthode de synthèse en deux étapes a conduit à l'obtention de performances photovoltaïques élevées sur grandes surfaces avec des rendements allant jusqu'à 14,3 % pour une cellule solaire entièrement réalisée par des procédés atmosphériques
Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) thin films based solar cells are a promising technology for high efficiency energy conversion. A window layer completes the stack of the cell. It is commonly constituted by an intrinsic and aluminum doped bi-layer of zinc oxide (ZnO) deposited by magnetron sputtering, an expensive vacuum process. Alternative processes, using low cost and atmospheric techniques, have been developed in order to reduce the costs. The aim of this work was to achieve a functional window layer of ZnO by a photo-assisted electrodeposition process on large scale substrates of CIGS/CdS in aqueous medium and replace the sputtered one. For this purpose, several studies have been carried out in order to determine the optoelectronic properties such as doping level and mobilities of the electrodeposited ZnO and optimize the deposition process. Firstly, the effect of three different electrolytes on the zinc oxide properties and doping has been studied on metallic substrate: chloride medium (Cl-), perchlorate medium (ClO4-) and a mixed medium of perchlorate with boric acid (H3BO3). Then, electrochemical synthesis of zinc oxide as window layer has been performed on CIGS/ CdS substrates. This study allowed to establish the need to synthesize an in situ seed layer which promotes the growth and the compactness of the final layer of zinc oxide. This two-step method has led to the achievement of high photovoltaic performances on large scale with promising efficiencies up to 14.3 % for a solar cell made entirely by atmospheric processes

Ce travail se concentre sur le développement d’écrans miniatures OLED haute luminance. Utilisés dans des systèmes optiques proches de l’oeil de type « see through », ces dispositifs OLED requièrent des luminances dix fois plus importantes que celles des produits conventionnels.La génération des trois primaires à partir d’une OLED blanche à émission par le haut se faisant aux moyens de filtres colorés, une large partie de l’émission est absorbée puis perdue. Afin de s’affranchir de ces filtres, une première approche s’est orientée vers la modulation de la cavité optique de l’OLED. Cette approche aboutit à la génération directe de la couleur grâce à la variation de l’épaisseur de l’anode transparente, de type TCO, à l’échelle des sous-pixels.La seconde limitation repose sur l’extraction de la lumière au travers d’une cathode semi-transparente. L’effet de cavité ainsi introduit filtre et réduit les composantes émises. L’approche choisie s’est portée sur le développement d’une cathode transparente de type TCO combinée à une grille métallique assurant le couplage externe de l’émission de l’OLED.Après avoir identifié les matériaux et la technique de dépôt appropriés, l’évaluation des OLED intégrant lesdites électrodes a été faite. Le recours à la simulation optique ainsi qu’à la modélisation électrique des structures a permis de discuter des limitations des matériaux et des comportements aux interfaces. A l’issue de cette discussion, des pistes d’amélioration et des perspectives ont été proposées
This study focuses on the development of high brightness OLED microdisplays based on active matrix (AMOLED). Because these devices are used into near-to-eye (NTE) applications and more precisely « see through » optical systems, high luminances are required. Compared to conventional microdisplays, the high luminances expected are around ten times higher.In order to emit a white spectrum from a top-emitting OLED (TE-OLED), color filters are mandatory to generate the RGB primaries. Nevertheless, by using these filters, the luminance is dramatically reduced because of the light absorption. Therefore, to be free of the filters, a first study is dedicated to the modulation of the optical cavity of the OLED. In this case, the direct generation of the colors is provided by the variation of the TCO anode thickness.The cavity effect observed into the TE-OLED depends on the semi-transparent cathode. The selectivity of the related cavity represents the bottleneck for emitting broad white spectra. To improve the white emission, a second approach deals with the realization of a TCO cathode coupled with a metallic grid.The appropriated materials and deposition techniques were firstly investigated before the characterization of OLED using a transparent anode to modulate the cavity in one hand and a transparent cathode to increase the light emission in another hand. Optical simulations and electrical modelling were employed to highlight the main behaviors driving these OLED. Following a discussion about the strength and the weakness of each structure, some hints of improvement were given

La technologie des cellules photovoltaïques silicium à hétérojonction (HET) a montré un intérêt croissant ces dernières années. En alliant les avantages des technologies couches minces et silicium cristallin (c-Si), elle permet un meilleur compromis coûts-performances que les cellules purement c-Si. Cette thèse a pour but d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les performances de ces cellules, en mettant à profit des compétences spécifiques de caractérisation et de simulation issues de la microélectronique. Nos travaux se focalisent sur l'étude de la face avant de la cellule HET de type n, composée d'un empilement de couches minces d'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) et de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Nous commençons par une étude théorique et expérimentale de la conduction des couches d'a-Si:H en fonction de la température, du dopage et des défauts qu'elles contiennent. Prendre en compte l'équilibre dopant/défaut de ces couches est primordial mais nous montrons aussi que le travail de sortie des électrodes en contact, comme l'ITO, peut influer fortement sur la position du niveau de Fermi dans les films nanométriques d'a-Si:H. Nous présentons ensuite une évaluation de sept techniques de caractérisation du travail de sortie afin d'identifier les plus adaptées à l'étude de semiconducteurs dégénérés tels que l'ITO. Nous montrons notamment l'intérêt de techniques originales de la microélectronique comme les mesures de capacité C(V), de courant de fuite I(V) et de photoémission interne (IPE) sur des empilements ITO/biseau d'oxyde/silicium. Nous mettons clairement en évidence que les propriétés volumiques de l'ITO peuvent être optimisées, mais que les interfaces ont un effet prépondérant sur les valeurs de travaux de sortie effectifs (EWF) extraits. Une bonne cohérence globale a été obtenue pour les techniques C(V), I(V) et IPE sur biseau de silice (SiO2) ; les valeurs extraites ont notamment permis d'expliquer des résultats expérimentaux d'optimisation des cellules. Nous montrons que la tension de circuit ouvert (Voc) des cellules est finalement peu sensible au travail de sortie, contrairement au Facteur de Forme (FF), grâce à la couche d'a-Si:H. Plus cette dernière est dopée, défectueuse et épaisse, plus elle est capable d'écranter les variations électrostatiques d'EWF. Aussi, le travail de sortie doit être suffisamment élevé pour pouvoir réduire les épaisseurs de couche p d'a-Si:H et ainsi gagner en courant de court-circuit (Jsc) sans perdre en FF ni Voc. Enfin, il nous a été possible d'appliquer cette méthodologie à d'autres oxydes transparents conducteurs (TCO) que l'ITO. Le meilleur candidat de remplacement de l'ITO doit non seulement présenter une transparence optique élevée, être un bon conducteur et avoir un fort travail de sortie effectif, mais il faut également prêter une attention particulière à la dégradation éventuelle des interfaces causée par les techniques de dépôt
By combining the advantages of thin-films and crystalline silicon (c-Si), the silicon heterojunction solar cell technology (HET) achieves a better cost-performance compromise than the technology based only on c-Si. The aim of this thesis is to improve the understanding of the physical mechanisms which govern the performance of these cells by taking advantage of specific characterization and simulation skills taken from microelectronics. Our study focuses on the front-stack of the n type cell composed of thin layers of indium tin oxide (ITO) and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). We begin with a theoretical and experimental study of the conductivity of a-Si:H layers as a function of temperature, doping concentration and bulk defects density. It is important to properly take into account the dopant/defect equilibrium of these layers but we also show that the work function of the electrodes in contact, such as the ITO, can strongly influence the Fermi level in the nano-films of a-Si:H. Then, we evaluate seven characterization techniques dedicated to the work function extraction in order to identify the most suitable one for studying degenerate semiconductors such as the ITO. We particularly show the interest of using original microelectronics techniques such as capacitance C(V), leakage current I(V) and internal photoemission (IPE) measurements on ITO/bevel oxide/silicon test structures. We clearly demonstrate that the ITO bulk properties can be optimized, yet the interfaces have a major influence on the extracted values of the effective work function (EWF). A good overall consistency has been obtained for C(V), I(V) and IPE measurements on a silicon dioxide bevel (SiO2) ; the extracted values enabled us to explain experimental results concerning the optimization of HET cells. We show that the open circuit voltage (Voc) of these devices is finally barely sensitive to work function, unlike the Fill Factor (FF). This is due to the a-Si:H layer. The more it is doped, defective and thick, the more it is able to screen the electrostatic variations of EWF. Thus, EWF must be sufficiently high to be able to reduce the p a-Si:H layer thickness and, in turn, to gain in short-circuit current (Jsc) without losing either in FF or Voc. Finally, we successfully applied this methodology to other types of transparent conductive oxides (TCO) differing from ITO. The best candidate to replace ITO must not only have a high optical transparency, be a good conductor and have a high EWF, but we must also pay close attention to the possible interface degradations caused by the deposition techniques