L'importance de l’étude des propriétés optiques de CdS provient de son application utile comme couche fenêtre (ou tampon) dans les cellules solaires. Les propriétés optiques les plus généralement rapportées sont : la transmittance et l’absorbance optiques, le gap optique avec quelques études de la photoluminescence.
a. Transmittance optique
Tous les films de CdS ont une transparence optique très élevée, en général entre 60 et 90%, dans les régions visibles du spectre solaire (520-850) nm, ce qui permet de les utiliser comme des couches fenêtres dans les cellules solaires (cellules photovoltaïques) [20]. Cependant, ces films sont
uniformes, et ont une forte adhérence et une excellente transmittance dans le spectre visible [21]. En
général, la transmittance est une fonction des paramètres de dépôt, de l’épaisseur, du gap, et de la structure cristalline de film [22].
Dans la figure II.A.7, nous avons rapporté des spectres typiques de transmittance de film CdS déposés par les techniques : CBD, pulvérisation, déposition par laser pulsé (PLD) et évaporation thermique. Les films déposés par évaporation thermique et pulvérisation sont caractérisés par la présence des franges d'interférence dans leurs spectres de transmittance dans la longue gamme de longueurs d'onde, dont ces franges sont rarement observées dans les spectres de transmittance des films préparés par CBD. Ceci indique que les films déposés par CBD ont parfois des surfaces rugueuses comparées à celles des films déposés par d'autres techniques [1].
(a) (b) 500 1000 1500 2000 0 20 40 60 80 100 tra ns mi ttan ce (%) wavelength (nm) Ts =25 o C Ts= 100 o C (c) (d)
Fig. II.A.7: Spectres typiques de transmittance des films CdS déposés par différentes techniques : (a) bain chimique, (b) pulvérisation, (c) déposition par laser pulsé et (d) évaporation thermique [1].
La figure II.A.8 montre les spectres de transmittance de tous les films CdS élaborés à partir de quatre précurseurs sources de Cd et qui ont été mentionnés précédemment. Tous les films ont une transmittance élevée, dont la plus élevée est notée pour les films déposés à partir de CdCl2 par rapport à celles des trois autres films [16].
Fig.II.A.8 : Spectres de transmittance des films CdS produits en utilisant quatre différentes sources de Cd : CdSO4 (0,108 µm), Cd(CH3COO)2 (0,19 µm) ; CdCl2 (0,20 µm) et CdI2 (0,185 µm) [16].
b. Gap optique
La transmittance ou l’absorbance optiques, qui correspond à la transition à partir de la bande de valence à la bande de conduction est généralement employée pour déterminer le gap optique Eg du matériau (voir le chapitre III).
La valeur du gap du sulfure de cadmium (CdS) dans la plupart des études est : 2,45 eV à température ambiante [22]. En général, la variation de sa valeur est due à l'influence de divers
facteurs tels que : la température du bain, l’épaisseur de film, la taille des grains, les paramètres structuraux ou le type de la structure, la concentration des porteurs de charges libres, la présence des
impuretés, le décalage de la stœchiométrie du film, la diminution de la contrainte du réseau [23-28],
l’énergie d’Urbach et la nature des solutions chimiques constituantes le bain.
Il a été constaté que le gap décroit avec l’augmentation de la température du dépôt ou l’épaisseur du film [29,30,14], comme il est indiqué dans le tableau II.A.5, dont ses résultats correspondent à
des films minces CdS de structure hexagonale préparés par CBD [14].
Température T (°C) Epaisseur d (nm) Transmittance T (%) Gap optique Eg (eV)
55 60 65 70 75 80 85 35 60 100 230 280 260 250 96,4 94,5 86,3 65,0 84,5 68,3 68,6 2,56 2,55 2,50 2,40 2,41 2,42 2,38
Tab. II.A.5 : Sommaire des épaisseurs et des propriétés optiques des couches minces de CdS préparés à différentes températures [14].
Calixto et Sebastien [90] ont signalé que les couches minces semi-conductrices de CdS peuvent
posséder un gap avec une valeur égale à ~2 eV. Ramaiah et al. [4] ont rapporté que le gap diminue
avec l’augmentation de la taille des grains. Ceci pourrait être dû à l'effet de confinement de porteur libre ou le confinement quantique.
Le tableau II.A.6 rapporte, suivant la nature de la solution source du Cd, quelques valeurs du gap optique obtenues pour des films CdS préparés par CBD dans les mêmes conditions de dépôt. Cependant, on peut déduire que la structure elle-même affecte la valeur du gap optique [16].
Un gap égal à 2,45 eV est obtenue pour la structure hexagonale ou cubique dont la source de Cd est la même « CdCl2 ou CdSO4 ». Par ailleurs, le gap des films CdS peut être plus élevé dans la structure hexagonale (2,62 eV) par rapport à celle obtenue pour la structure cubique (2,45 eV) des films CdS préparés de CdI2 ou CdCl2, respectivement.
D’autres auteurs ont rapporté un résultat similaire : une valeur égale à 2,4 eV pour la structure cubique et à 2,5 eV pour l’hexagonale [1]. En général, le gap de couche mince CdS peut varier de 2,1 jusqu'à 2,6 eV selon la technique et les paramètres de dépôt [1, 21, 31].
Sources de Cd Gap optique Eg (eV) Structure cristalline
CdCl2 CdAc2(a) 2,45 2,50 Hexagonale Amorphe CdCl2 2,45 Cubique CdI2 2,62 Hexagonale CdSO4 2,45 Hexagonale CdSO4 2,38-2,45 Mixte CdSO4 2,47 - CdAc2 2,39 - CdAc2 2,35 Mixte CdAc2 - - CdAc2 2,58 - Cd(NO3)2 - Cubique
Tab. II.A.6 : Sommaire de quelques valeurs du gap optique pour des films minces de CdS et les solutions sources du Cd correspondantes [16].
L’influence du recuit sur le gap des films CdS a été également signalée : les films recuits exhibent des valeurs du gap plus élevées que celles des films non recuits. Ce type de tendance est observé généralement pour les films semi-conducteurs [32]. Ce changement du gap ne peut être
expliqué que par les effets de l’amélioration de la cristallinité et ceux des facteurs de taille de grain. c. Indice de réfraction
Peu d'études ont été consacrées pour étudier l'indice de réfraction. Ce dernier a été déduit de la caractérisation ellipsométrique. Sa valeur peut varier dans la gamme de 1,6 à 2,1 et peut atteindre la valeur 2,5 dans certaines études [29].