Doctorat ParisTech TH È SE l'École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers

251 Pages·2017·11.01 MB·French

by  Vincent Froger

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2012-ENAM-0040
École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur

Doctorat ParisTech

T H È S E

pour obtenir le grade de docteur délivré par

l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers

Spécialité “ Génie énergétique ”

présentée et soutenue publiquement par

Vincent FROGER

le 20 novembre 2012

Couches minces de chalcogénures de zinc déposées par spray-CVD

assis té par rayonnement infrarouge pour des applications

photovoltaïques

Directeur de thèse : Mme. Anne BOUTEVILLE
C o-encadrement de la thèse : Mme. Sylvie DABOS-SEIGNON & Mr. Sébastien Noël

Jury
T

M. Abdou DJOUADI, Professeur des Universités, IMN, Université de Nantes Président & Rapporteur
H
M. Constantin VAHLAS, Directeur de Recherche, CIRIMAT, ENSIACET Toulouse Rapporteur
Mme. Linda CATTIN-GUENADEZ, Maître de Conférences (HDR), IMN, Université de Nantes Examinateur
È
Mme. Anne BOUTEVILLE, Professeur des Universités, LAMPA, Arts & Métiers ParisTech - Angers Examinateur
Mme. Sylvie DABOS-SEIGNON, Chargée de Recherche, MOLTECH-Anjou, Université d’Angers Examinateur
S
M. Sébastien NOEL, Ingénieur de Recherche, LITEN-DTNM, CEA Grenoble Examinateur
M. Jean-Manuel DECAMS, Manager R&D, Annealsys (Industriel), Montpellier Invité
E

Arts et Métiers ParisTech - Centre d’Angers
Laboratoire des Arts et Métiers ParisTech d’Angers (EA 1427)
| Remerciements |
Remerciements
Le travail doctoral décrit dans ce mémoire a été cofinancé par la communauté
d’agglomérations Angers Loire Métropole et par le département national de Fluides et
Systèmes Energétiques (FISE) de l’Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers (Arts &
Métiers ParisTech). Je tiens donc à remercier Mr. Jean-Claude Antonini, président d’Angers
Loire Métropole, et Mr. Daniel Raoul, vice-président d’Angers Loire Métropole délégué à
l’enseignement supérieur, à la recherche et à l’innovation économique, ainsi que Mr. Stéphane
Clénet, directeur national du département FISE.
D’un point de vue scientifique, le sujet de thèse est le fruit d’une collaboration entre le
Laboratoire des Arts et Métiers ParisTech d’Angers (LAMPA) de l’Ecole Nationale
Supérieure des Arts et Métiers, de l’Institut des Sciences Technologiques et Moléculaires
d’Anjou (Moltech-Anjou) de l’Université d’Angers, et du Département des Technologies des
Nanomatériaux (DTNM) du CEA de Grenoble. Toute ma gratitude va à l’équipe encadrante
de ma thèse, Mme. Anne Bouteville (Directeur de Thèse ENSAM), Mme. Sylvie Dabos-
Seignon (Université d’Angers) et Mr. Sébastien Noël (CEA) pour leur encadrement, leur
implication et leurs conseils tout au long de ces trois années.
Je remercie également Mr. Laurent Carraro, directeur général de l’école des Arts & Métiers
ParisTech, et Mr. Laurent Guillaumat, directeur du centre Arts & Métiers ParisTech d’Angers
pour m’avoir accueilli au sein de leur établissement. De même, je remercie Mr. Franck Morel,
directeur du laboratoire LAMPA, et Mr. Abdelhak Ambari, responsable du département FISE
Angers, pour leur accueil au sein de ces structures, ainsi que Mr. Jérôme Péju (SATER) pour
l’aide technique apportée au cours de ces trois années.
Parmi les collaborateurs de ce travail, je tiens à remercier Mr. David Chapron de l’Université
de Lorraine, ainsi que Mr. Olivier Alévêque, Mr Stéphane Chesne, Mr. Philippe Leriche et Mr
Philippe Blanchard du laboratoire Moltech-Anjou. J’adresse également toute ma
reconnaissance à Mr. Jean-Christian Bernède, Mr. Pierre-Olivier Logerais et Mr. Olivier
Riou pour les travaux parallèles et productifs que nous avons menés. Pour son implication lors
de la transmission du sujet, je remercie vivement Jérôme Garnier, le doctorant me précédant
au sein du laboratoire. Je suis humblement reconnaissant à Théodulf Rousseau, post-doctorant
au laboratoire Moltech-Anjou, pour sa collaboration quant à l’accomplissement de l’étude des
cellules solaires organiques. Je pense également à mes homologues thésards Jean-Baptiste
Accary (Université d’Angers), Antoine Leliège (Université d’Angers) et Mohamed Achouri
(ENSAM), qui comme moi font partis du « cru 2012 ».
J’adresse de sincères remerciements aux membres du jury qui m’ont fait l’honneur d’accepter
d’évaluer mon travail : Mr. Constantin Vahlas et Mr. Abdou Djouadi, en tant que rapporteurs,
et Mme. Linda Cattin-Guenadez, en tant qu’examinateur. Je remercie aussi Mr. Jean-Manuel
Decams (Annealsys) d’avoir représenté le principal partenaire industriel de ce travail lors de
la soutenance, l’autre étant la société Kemstream que je salue et remercie également.
Cette page demeurerait incomplète sans mentionner toute l’estime que je porte à mes
honorables amis et collègues Vincent Couanet et Guillaume Malvault.
Enfin, ce mémoire étant l’accomplissement de huit années d’études, je remercie ma famille et
mes amis pour leur soutien tout au long de cette période.
I
(cid:1)
| Remerciements |
II
(cid:1)
| Citation |
(cid:1)
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(cid:1)
(cid:1) (cid:1)
III(cid:1)
(cid:1)
| Citation |
(cid:1)
IV(cid:1)
(cid:1)
| Table des matières |
(cid:1)
Table des Matières
Introduction générale 1
I – Les cellules solaires photovoltaïques et les technologies associées 5
I-1 – Physique des semi-conducteurs et effet photovoltaïque 7
I-1-1 – Rappels sur les semi-conducteurs 7
I-1-2 – Notion de jonction PN 13
I-1-3 – Effet photovoltaïque (PV) au sein d’une jonction PN 17
I-2 – La filière photovoltaïque dans tous ces états 29
I-2-1 – L’omniprésence d’un matériau : le silicium 29
I-2-2 – L’émergence de la filière couches minces 31
I-2-3 – Le marché de la faible puissance : les cellules hybrides et organiques 33
I-2-4 – Les promesses des cellules multi-jonctions 37
I-2-5 – Des nano-objets pour les cellules solaires 39
I-2-6 – Les autres concepts d’amélioration des performances 42
I-3 – Zoom sur les technologies CIGS et organique 44
I-3-1 – A propos des cellules à base de CIGS 44
I-3-2 – Les cellules solaires organiques 47
I-4 – Conclusion du chapitre I 55
I-5 – Bibliographie du chapitre I 56
II – Les chalcogénures de zinc en couches minces pour les dispositifs PV 59
II-1 – Utilisation des chalcogénures de zinc en couches minces dans les cellules solaires 61
II-1-1 – Les principales voies de synthèse des couches minces cristallines 61
II-1-2 – Les couches tampons semi-conductrices 63
II-1-3 – Application aux électrodes transparentes 66
II-1-4 – Objectifs du travail doctoral 70
II-2 – Techniques de caractérisations des couches minces 71
II-2-1 – La spectrophotométrie 71
II-2-2 – Réflectométrie et études topographiques 72
II-2-3 – La diffraction des rayons X 73
II-2-4 – Caractérisation électronique par effet Hall 75
II-2-5 – Analyse dispersive en énergie et spectrométrie de fluorescence X 76
II-2-6 – La tensiométrie 77
II-2-7 – La microscopie à force atomique (AFM) 79
V
| Table des matières |
(cid:1)
II-3 – Choix des différents précurseurs chimiques 80
II-3-1 – Cas de l’oxyde de zinc et de ses différents dopants 80
II-3-2 – Cas du sulfure de zinc 81
II-4 – Conclusion du chapitre II 82
II-5 – Bibliographie du chapitre II 83
III – Technique spray-CVD assisté par rayonnement infrarouge 87
III-1 – Principe de la technique mise en œuvre 89
III-1-1 – Généralités sur les dépôts CVD 89
III-1-2 – Principe de base de la technique spray-pyrolyse 94
III-1-3 – Physique des aérosols 96
III-1-4 – Le phénomène de thermophorèse 105
III-1-5 – Technique spray-CVD assisté par rayonnement infrarouge 109
III-2 – Constitution et évolution de la géométrie interne du réacteur 111
III-2-1 – Le réacteur primaire 111
III-2-2 – L’impact expérimental des modifications géométriques 117
III-2-3 – Protocole expérimental associé au nouveau dispositif 123
III-3 – Approche théorique de l’interaction aérosol / rayonnement infrarouge 127
III-3-1 – Evaporation des composés réactionnels 127
III-3-2 – Emission infrarouge d’une lampe halogène 129
III-3-3 – Modèle de l’absorption infrarouge pour une gouttelette 130
III-3-4 – Modèle de l’absorption infrarouge pour un nuage de gouttelettes 135
III-4 – Conclusion du chapitre III 141
III-5 – Bibliographie du chapitre III 142
IV – Elaboration et caractérisation de couches tampons semi-conductrices 145
IV-1 – Oxyde de zinc et de magnésium Zn Mg O 147
1-x x
IV-1-1 – Evolution des propriétés en fonction du taux de magnésium 147
IV-1-2 – Dépôts de Zn Mg O à différentes températures 153
1-x x
IV-1-3 – Etude par analyse dispersive en énergie et spectrométrie de fluorescence X 154
IV-1-4 – Bilan de l’étude et situation des résultats 158
IV-2 – Couches minces de sulfure de zinc ZnS 160
IV-2-1 – Etude du dépôt de ZnS en fonction de la concentration en précurseurs 160
IV-2-2 – Sulfure de zinc déposé à différentes températures 161
VI
| Table des matières |
(cid:1)
IV-2-3 – Perspectives d’étude pour le ZnO S 164
z 1-z
IV-2-4 – Bilan de l’étude et situation des résultats 165
IV-3 – Conclusion du chapitre IV 167
IV-4 – Bibliographie du chapitre IV 168
V – Réalisation d’électrodes transparentes pour les cellules PV organiques 171
V-1 – Oxyde de zinc dopé aluminium ZnO:Al 173
V-1-1 – Influence de la température de dépôt à partir du réacteur primaire 173
V-1-2 – Comparaison des propriétés entre réacteur primaire et nouveau dispositif 178
V-1-3 – Bilan de l’étude et situation des résultats 180
V-2 – Oxyde de zinc dopé gallium ZnO:Ga 183
V-2-1 – Impact du taux de gallium dans la couche mince 183
V-2-2 – Comparaison entre le dopage gallium et le dopage aluminium 184
V-2-3 – Etude du co-dopage aluminium/gallium pour l’oxyde de zinc 188
V-2-4 – Bilan de l’étude et situation des résultats 189
V-3 – Zn Mg O:Al : une nouvelle voie pour les TCO 191
1-x x
V-3-1 – Propriétés des dépôts en fonction des taux d’aluminium et de magnésium 191
V-3-2 – Caractérisation des surfaces par tensiométrie et microscopie AFM 193
V-3-3 – Bilan de l’étude et situation des résultats 201
V-4 – Cellules solaires organiques en structures inverses 203
V-4-1 – Protocole expérimental pour le façonnage des cellules 203
V-4-2 – Caractérisations des cellules réalisées à partir de ZnO:Al et de Zn Mg O:Al 207
1-x x
V-4-3 – Bilan de l’étude et situation des résultats 210
V-5 – Conclusion du chapitre V 211
V-6 – Bibliographie du chapitre V 212

Conclusion générale 217
Index des grandeurs physiques 223
Index des acronymes 231
Table des Figures 233
VII
| Table des matières |
(cid:1)
VIII
| Introduction générale |
Introduction générale
1