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Conclusion générale et perspectives
Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif l’élaboration et l’étude des propriétés physiques des films minces de l’oxyde de zinc en fonction des conditions d’élaboration. Dans ce contexte, nous avons adopté une approche expérimentale basée sur deux objectifs principaux. Le premier concernant la maitrise de l’élaboration des films transparents et conducteurs (TCO) par la méthode spray ultrasonique et le second est l’étude de l’effet de dopage et de la température de dépôt sur les différentes propriétés des films ZnO déposés ainsi que sur les propriétés caractéristiques de leurs hétéro-structures ZnO/p-Si. Dans la première partie, notre objectif a été porté sur l’influence de la phase cristalline, la transmittance optique dans le domaine visible et la conductivité électrique des films minces des mélanges binaires et ternaires du système ZnO-SnO2 -In2O3 par la concentration massique des trois éléments (Zn, Sn et In) dans les films.
Les résultats de l’analyse structurale ont montré la coexistence des phases cristallines d’oxydes purs en même temps dans les films élaborés. Ceci est dû à l’énergie de formation de chaque phase. Par contre, nous n’avons détecté aucune phase d’un alliage de type ZnxSnyOz dû à l’insuffisance de la température de dépôt 300 °C utilisée pour la formation de ce genre d’alliages. La caractérisation optique a montré que tous les films déposés sont transparents dans le domaine visible avec une valeur de l’ordre de 75 à 85%.
Dans les séries R1 et R2, l’allure de la transmittance entre 300 et 400 nm a montré la coexistence de deux phases différentes relatives à chaque TCO (ZnO et SnO2
ou ZnO et In2O3). Ces résultats ont été exploités pour proposer une nouvelle définition du gap optique (gap effectif) qui décrit l’effet des deux phases présent dans ces films. La caractérisation électrique a montré des faibles valeurs de la conductivité électrique ce qui a conduit à des faibles figures de mérite (Fm).
Dans la Série R3, les spectres DRX ont montrés que les films de cette série sont bien cristallisés et présentent une orientation préférentielle selon la direction [222]
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139 de l’In2O3. L’évolution de la conductivité électrique avec la concentration massique R3
a montré une croissance presque linéaire avec R3 jusqu’à la valeur maximale de 1.2102 (cm)-1 à R3 = 0.95 correspondant à la meilleure figure de mérite obtenue dans les mélanges binaires ~ 3.3410-4 Ω-1.
Dans les mélanges ternaires, Les résultats structurels obtenus ont montré la coexistence de deux ou trois oxydes purs différents dans les films élaborés avec une mauvaise qualité cristalline. Ceci est dû à la coexistence de ces oxydes en même temps dans ces films. L’inexistence d’aucune phase spinale de type ZnxSnyOz est dû l’insuffisance de la température de dépôt utilisée (300 °C) pour la formation de ce genre d’alliages. La caractérisation optique a montré que tous les films déposés sont transparents dans le domaine visible avec une valeur de l’ordre de 75 à 85%. Les mesures électriques de ces films ont montré des valeurs élevées de la conductivité électrique influencée par la non-stœchiométrie résultante dans ces films composés de trois éléments en même temps, et par conséquent, ils ont montré des figures de mérites élevées en particulier celles des concentrations RZI = 1/8 et RZI = 3/8 avec des valeurs de 5.610-4 Ω-1 et 5.410-4 Ω-1 respectivement.
Cette première partie nous a permis d’identifier, dans le système ZnO-SnO2 -In2O3, les concentrations correspondant à une figure de mérite élevée. Ce dernier paramètre peut être un guide de choix des concentrations appropriées des trois composants suivants les propriétés désirées. À la lumière de ce travail, la meilleure figure de mérite obtenue dans les films du système ZnO-SnO2-In2O3, déposés par la méthode spray ultrasonique, est celle de RZI = 1/8 avec une valeur ~ 5.610-4 Ω-1. C’est valeurs sont considérée concurrentielles avec celles rapportées dans la littérature.
Dans la seconde partie de cette thèse, l’objectif est d’étudier les effets de dopage par l’indium et de la température de dépôt sur les hétéro-structures ZnO/p-Si. Les couches de ZnO sont élaborées sur des substrats de Silicium type p avec différentes températures et concentrations de dopage montrent que les propriétés des films ZnO et des hétéro-structures varient selon les conditions d’élaboration.
Les films obtenus sont de bonne qualité cristalline. La taille des cristallites, dans la direction [002], croit en fonction de la température de dépôt (16 à 45 nm).
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140 Tous les films sont transparents dans le visible (~ 85%) et présentent parfois une surface rugueuse favorable à la diffusion de la lumière. Ce haut pouvoir diffusant des couches de ZnO permet de rallonger le chemin de la lumière au niveau de la cellule solaire, et donc d’augmenter l’absorption optique et le courant photo-généré dans la cellule solaire.
Les résultats des mesures de la photoluminescence ont révélés qu’il est possible de faire croitre des couches minces de ZnO avec une émission caractéristique principale dans l’UV, dans le vert ou dans le rouge sur des substrats conducteurs de silicium. La position et l’intensité du pic sélectif de PL (UV, vert ou rouge) peut être contrôlé par la température de dépôt ou par la concentration de dopage approprié dans la solution de départ. On note également que l’augmentation de la température de substrat cause la décroissance de l’intensité du pic PL d’UV et la croissance des pics PL du vert et rouge.
Des relevés de I-V en coplanaire à partir de contact d’or sur les films de ZnO obtenus, se sont avérés de nature ohmique.
Les études détaillées à travers des mesures de courant-tension, capacité-tension en fonction du taux de dopage par indium et de la température de substrat ont montré que :
Toutes les hétéro-structures se comportent comme des diodes décrites par l’équation classique du modèle d’Anderson, dans laquelle il faut éventuellement tenir compte de la présence d’une couche d’oxyde (SiO2), d’états d’interface et de niveaux de piégeage situés plutôt côté ZnO responsables d’un courant par effet tunnel.
Les hétéro-structures présentent un bon redressement avec des paramètres comparables à ceux rapportés dans la littérature.
Enfin, les films ZnO ainsi que les hétéro-structures ZnO/p-Si élaborés peuvent trouver des applications comme fenêtre frontale dans les cellules solaire ; comme émetteurs d’UV, de vert ou de rouge dans le domaine des diodes LED, et également comme détecteurs de gaz.
Comme perspectives, une étude portant sur l’effet de la température de mesure sur les caractéristique I-V (I-V-T) est nécessaire pour expliquer les mécanismes de transport à travers les hétéro-structures élaborées. Ainsi qu’une autre
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141 étude détaillée sur les mesures de capacité-tension effectuées à différentes fréquences (à basses fréquences surtout) pour une détermination quantitative de la densité des états d’interface présents à l’interface couche ZnO/p-Si. Ce paramètre servira à comparer les différentes structures et permettra de dégager les paramètres optimaux d’élaboration.
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