Différentes couches de la cellule photovoltaïque

Comme nous pouvons le voir sur Fig.3.9 ci-dessus, il existe six éléments principaux dans la photopile en couches minces, à savoir:

III.2.1. Substrat

Le choix du substrat est la première étape dans l’élaboration d’une cellule solaire. Il doit répondre à différents critères chimiques et mécaniques, qui le rendent apte à suivre toutes les étapes de fabrication de la cellule, sans en détériorer la qualité, tout en ayant un coût limité. [20]

81

Parmi les critères retenus, on citera notamment les suivants: (i) Sa rigidité.

(ii) Son coefficient de dilatation.

(iii) Sa température maximale d’utilisation.

(iv) Son état de surface qui doit être parfaitement lisse. [20]

Il existe trois catégories de substrat: le verre, les métaux, et les polymères. On utilise généralement un substrat en verre sodocalcique (SLG Soda Lime Glass) en raison de sa production facile à grande échelle et à faible coût. Outre sa bonne tenue mécanique durant tout le procédé de fabrication du dispositif photovoltaïque est un avantage à ne pas négliger. Son coefficient d’expansion thermique est adapté à celui de l’absorbeur CIGS et permet ainsi d’éviter des décollements et autres défauts entre l’électrode face arrière et la jonction PN. En revanche son utilisation exclue toute température de procédé supérieure à 580°C sous peine de déformation et de risques de casse. [27]

III.2.2. Contact arrière

Afin d'assurer la collecte des porteurs photogénérés, une couche de Molybdène (Mo) avec une épaisseur de 0.3 à 1μm, dit contact arrière, est déposée par pulvérisation cathodique sur le substrat. [28]

Bien que d’autres métaux ont été étudiés, Mo reste le matériau le plus utilisé parce qu’il présente un certain nombre d’avantages:

(i) Il remplit le rôle primordial d'un contact métallique qui consiste à collecter les porteurs pour les transmettre à la charge externe.

(ii) c'est un bon conducteur électrique.

(iii) compte tenu de sa température de fusion très élevée (2623°C), le Mo peut résister aux différents traitements thermiques qui s’imposent dans la fabrication des cellules.

(iv) son coefficient d’expansion thermique adapté et sa faible résistance de contact avec l’absorbeur. [12]

Le bon comportement électronique de l’interface formée entre le CIGS et le Mo serait dû à la présence d’une fine couche de MoSe2d’une épaisseur de 10nm et d’un gap de 1.4eV plus élevé que celui du CIGS, qui permet de diminuer les recombinaisons à l’interface de ces deux couches. Cette couche permet également d’assurer un contact ohmique entre Mo et le CIGS et d’éviter la zone de déplétion créée par l’interface semiconducteur/métal. [21]

Chapitre III Cellules solaires en couches minces à base CIGS

82

III.2.3. Couche absorbante

Une couche absorbante est la partie essentielle de la cellule dans laquelle les photons vont être convertis en paires électrons-trous, elle doit être constituée d'un matériau à grand coefficient d'absorption de l’ordre de 105 cm-1 dans le domaine du visible, il est donc préférable que celui-ci ait une bande interdite directe, dont la valeur soit de l'ord re de 1.1 à 1.7eV, sa conductivité doit être de type P, et de l'ordre de 1 à 10-2 Ω-cm-1. [5]

Dans le cas présent, le CIGS. Il s’agit d’un semiconducteur de type P de la famille I-III-VI sous sa forme Chalcopyrite, qui forme la première partie de l’hétérojonction PN. L'épaisseur standard des couches CIGS dans les cellules solaires à couche mince CIGS est actuellement de 1,5µm à 4µm. Les méthodes de dépôt du CIGS sont variées, les plus communes étant la Co-évaporation et le recuit de précurseurs métalliques en présence de vapeurs de Sélénium. [4]

III.2.4. Couche tampon

Si un contact entre couche absorbante et couche fenêtre est directement réalisé, une jonction photovoltaïque peut exister, mais son rendement sera limité par:

(i) L'inadaptation des bandes interdites.

(ii) Les courants de fuite dus à la présence de zones désordonnées aux joints de grains.

De ce fait, il est préférable d'introduire une fine couche, dite couche tampon, entre ces deux composés afin d'optimiser les performances de la cellule. Cette couche doit avoir les propriétés suivantes:

(i) Une bande interdite intermédiaire permettant une transition souple entre celle du semiconducteur et celle de la couche fenêtre, soit une valeur comprise entre 2.4 et 3.2eV.

(ii) Une conductivité de type N pour former la jonction avec la couche absorbante qui elle est de type P; de plus, afin d'éviter les effets de fuites de courant, sa conductivité doit être plus faible que celle de la couche absorbante, soit de l'ordre de 10-3 Ω cm-1.

(iii) Morphologiquement elle doit être très homogène pour éviter tout effet de court circuit au niveau des joints de grains. [29]

Actuellement, les meilleurs rendements sont obtenus en utilisant des couches tampon à base de Sulfure de Cadmium (CdS), de type N, c’est le matériau le plus utilisé, qui généralement déposée par la technique de dépôt par bain chimique (Chemical Bath Deposition, CBD) permet un recouvrement optimal de la surface de la couche absorbante CIGS. [20]

83

L’épaisseur typique d’une couche tampon en CdS est d’environ 50nm, ce recouvrement permet la formation de la jonction et la passivation de défauts sur toute surface libre de l’absorbeur; il permet également de protéger efficacement la surface de l’absorbeur du dépôt de la couche de ZnO par pulvérisation cathodique. [20]

Cependant, en raison de la toxicité du Cadmium, la communauté scientifique travaille depuis déjà quelques années pour substituer la couche CdS par un film plus écologique, ne contenant plus de Cadmium toxique, les matériaux les plus prometteurs étant des composées communs (Zn, Mg) (O, S) In2(S, Se) 3, etc., ou de Sulfure d'Indium (métal plus rare). [9]

III.2.5. Couche fenêtre

Le contact avant d’une pile solaire doit être en même temps transparent et conducteur. Différents Oxydes Conducteurs Transparents (TCO) ont été expérimentés. Les piles solaires de CIGS utilisent plus fréquemment l’Oxyde de Zinc (ZnO) dopé d’Aluminium (ZnO: Al). Ce dernier a une large bande de gap de 3.3eV et a de bonnes propriétés électriques et optiques (une transmission de 90% dans la gamme de 400-1000nm et une résistivité de 9.10 à 4 Ω.cm).

Une combinaison d’une qualité intrinsèque (i-ZnO) et d’une couche de ZnO dopée est généralement employée, car cette double couche rapporte des rendements uniformément plus élevés.

Il a été constaté que des paramètres de cellules, en particulier, le facteur de forme (FF) varie avec l’épaisseur des couches intrinsèques de ZnO. Le rendement le plus élevé a été réalisé une couche d’i-ZnO d’épaisseur environ 70nm.

D’autre part, quand la couche d’i-ZnO est très épaisse, la performance de cellules s’est dégradée en raison de l’augmentation de la résistance en série. Par conséquent une épaisseur optimale de la couche d’i-ZnO est nécessaire pour une meilleure performance de la pile solaire. [17]

III.2.6. Contact avant

Enfin, une grille métallique est déposée sur chaque cellule afin d'améliorer l'extraction des porteurs de charge photogénérés. Ces grilles sont composées d'une superposition d’une couche de Nickel (50nm) et d’une couche d'Aluminium (2µm) déposées par évaporation par canon à électron. [9]

Chapitre III Cellules solaires en couches minces à base CIGS

84

Le Ni sert de couche d’accroche et permet d’éviter l’oxydation d'aluminium qui forme un contact ohmique à l’avant du dispositif. A ceci est parfois ajoutée une couche antiréflexion (MgF2). Ces matériaux ne sont bien évidemment pas choisis au hasard et doivent posséder des propriétés physico-chimiques bien particulières. [9]