Applications des couches minces de PbS

[130] 0.01 M Pb(NO3)2 +0.05 M CS(NH2)2 +0.27 M NaOH

_ 650nm 293 GaAs(001) 140min La concentration du réactif

a un important effet sur la microstructure des films et l'évolution morphologique. [65] (0.01-0.175) M Pb(NO3)2 +(0.057-1) M CS(NH2)2 + (0.146-0.57)M NaOH >12 1000 nm 313 GaAs (111), (100)

20-60 min Le temps et la température de dépôt jouent un rôle majeur pour l'obtention des films PbS monocristallins.

L'intervalle de taille

augmente avec l'épaisseur du film

, engendrant des films monocristallins avec moins de défauts.

[66]

0.1M Pb(NO3)2

+0.1 M

CS(NH2)2

9 290 nm 300 Verre 2-7 h La résistivité électrique à

température ambiante des films minces nanocristallins

de PbS de type p est de 104

Ω cm.

[67]

Tab. I.10. Conditions de préparation des couches minces de PbS par procédé de dépôt en bain chimique (suite) [61].

La technique du bain chimique (CBD) est, de loin, la plus utilisée pour l'élaboration des couches minces de sulfure de plomb. Le PbS est d'ailleurs l'un des premiers matériaux déposés par cette technique, avec le SnS et le CuS. Le tableau I.10. [61] est un récapitulatif des différents travaux réalisés sur le PbS déposé par CBD.

III.4.3. Applications des couches minces de PbS

Les couches minces de PbS connaissent divers domaines d'applications. Les photo-détecteurs infrarouges de hautes performances sont, généralement, fabriqués à base de films PbS poly-cristallins préparés par voie chimique ou par évaporation sous vide. Ces films sont soumis à un processus d'oxydation et un recuit spécifique pour optimiser leurs capacités de détection

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[13]. L'application IR est étroitement liée au faible gap du PbS (0.4 eV). D'autres champs d'utilisation ont été explorés pour ce matériau: la photographie [68], la détection sélective des ions Pb+2 [69], les diodes laser, la décoration et le contrôle solaire de revêtement [70-71]. Il est aussi utilisé comme absorbeur solaire dans la conversion photothermique [72] ou comme détecteur de gaz [73]. Les sels de plomb, le PbS en l'occurrence, sont des remplaçants de choix et de moindre coût du silicium amorphe (α-Si) dans la réalisation des TFT (Thin Film Transistor) utilisés dans les afficheurs à cristaux liquides [13]. Certaines études récentes s'intéressent aux couches minces de sulfure de plomb pour des applications photovoltaïques [74-75]. Plusieurs hétéro-structures ont été réalisées dans ce but dont (films de PbS/ZnO nanofils), CdS/PbS.

III.4.3.1. Les films de PbS dans les applications photovoltaïques

Les dispositifs photovoltaïques exploitent, généralement, des semi-conducteurs à bande interdite de milieu de gamme qui absorbent dans le domaine visible du spectre solaire. Cependant, beaucoup d'énergie est perdue dans l'IR et le proche infrarouge (NIR).

Ronen Gertman et al. [74] ont déposé des films de PbS, par bain chimique, sur des nanofils de ZnO. L'idée est de combiner les avantages de l'étroite bande interdite du PbS préparé facilement et peu onéreusement (par CBD) avec les bonnes propriétés électroniques de l'oxyde de zinc [74-75] pour la réalisation de dispositifs photovoltaïques à faible coût utilisant la lumière infrarouge et proche infrarouge. Les résultats ont confirmé la possibilité de récolter des électrons à partir d'un semi-conducteur à petit gap déposé sur une électrode de grande surface ce qui pave le chemin vers des rendements élevés et de faibles coûts dans les détecteurs IR et NIR et dans les cellules solaires de troisième génération [74]. Une nouvelle "structure verre/ITO/CdS/PbS/graphite conducteur" a été réalisée comme cellule solaire par Hernandez-Borja [75]. Les couches absorbantes de PbS et les fenêtres optiques CdS ont été préparées par CBD avec une température maximale de 70 ºC et sans post-traitement. Les cellules solaires obtenues sont photosensibles sur une large gamme spectrale (le visible et le proche infrarouge) avec, pour la meilleure, une tension de circuit ouvert Voc de 290 mV, un courant de court-circuit Jsc de 14 mA/cm2, un facteur de forme FF de 0.36 et un rendement η = 1.63% sous une intensité d'éclairage de 900W/m2. L'image I.18. [75] rassemble les courbes I(V) des cellules réalisées ou les films CdS ont été déposés par bain chimique avec différentes compositions marquées X, T et Y.

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Figure I.20. Courbes I-V à l'obscurité et sous éclairement de 90 mW/cm2 des cellules solaires (a)CdS_X/PbS (b)CdS_Y/PbS et (c)CdS_T/PbS.

La recette sans ammoniaque pour le dépôt des films CdS Y contient CdCl2 (0,05 M), Na3C6H5O7(0,5 M), du KOH (0,5 M) et de la thiourée CS(NH2)2 (0,25 M). Les films CdS T ont été préparés à partir d'une solution contenant du chlorure de cadmium CdCl2 (0,1 M), la triethanolamine C6H15NO3 (2 M), de l'hydroxyde d'ammonium NH4OH (1,8 M) et de la thiourée CS(NH2)2 (0,1 M). En ce qui concerne les films CdS X, la recette contient le citrate de sodium Na3C6H5O7, au lieu de triethanolamine, dans une solution contenant CdCl2 (0.1 M), Na3C6H5O7 (1 M), NH4OH (1M) et CS(NH2)2 (1 M). Dans d'autres études, les jonctions de cellules solaires PbS/CdS fabriquées réalisent des rendements allant 1.35% [76] et atteignent à 1.668% [77]. Moreno-Garcia et al. [12] ont fabriqué des jonctions Bi2S3/PbS (les films minces ont été préparés par bain chimique, Bi2S2 (160 nm) et PbS (400 nm)), les Voc et Jsc obtenus sont de 280 mV et de 6 mA/cm2, respectivement, et un rendement de conversion de l'énergie solaire de 0,5% lors de son exposition à un rayonnement solaire 1000 W/m2.

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III.4.3.2. Applications IR

Un détecteur infrarouge est un détecteur réagissant à un rayonnement infrarouge (IR). On distingue deux types de détecteurs infrarouge :

 les thermodétecteurs: Ces détecteurs réagissent à un changement de température par la variation d'une de leurs propriétés physiques : résistance électrique (bolomètre), thermoélectricité (thermocouple, thermopile), charge de surface-capacité (pyromètre), expansion thermique (cellule de Golay) ...

 les photodétecteurs: Ces détecteurs fonctionnent par absorption de photons IR et photogénération de porteurs de charge (effet photovoltaïque ou photoconducteur) créant un excès de courant dans le matériau (photocourant). Les principaux photodétecteurs sont les photodiodes PN (principalement en tellurure de mercure-cadmium - HgCdTe), les photodiodes PIN à hétérojonction de type II, à base d'antimoine, les QWIP (quantum well infrared photodetector) et les QDIP (quantum dot infrared photodetector).

Le PbS est un détecteur à semi-conducteur de SWIR (short-wave infrared) standard (1-3.1 µm) tandis que le PbSe est employé dans la gamme de MWIR (mid-wave infrared), de 1- 4,7 µm s'il n'est pas refroidi ; et jusqu'à 5,5 µm une fois refroidi. Ce sont des photoconducteurs ; la résistance du détecteur est réduite pendant l'illumination. La structure du cristal des détecteurs commerciaux est polycrystalline et est produite par le biais d'un dépôt chimique (eg. détecteur à base de PbS de type PB25-series montré dans la figure IV.21).

Les détecteurs PbS présentent une sensibilité plus élevée que celle des détecteurs PbSe de plus d'un ordre de grandeur. Ces détecteurs sont particulièrement employés quand des détecteurs de larges surfaces actives sont exigés pour leur moindre coût comparativement avec les détecteurs InGaAs.

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Champs d'application :

Les champs d'applications des détecteurs PbS sont divers, les exemples incluent :  Sondes de température – pyromètres.

 Détecteurs de flammes et d'étincelles.  Sondes d'humidité.

Chapitre II

Techniques d’élaborations et de