Développement de méthodes de caractérisation multi-échelles des cellules solaires (H/F)

Sujet de thèse :
Le photovoltaïque joue un rôle majeur dans la transition énergétique, et il est attendu que sa part dans la production électrique continue d’augmenter, vers les objectifs d’émission de gaz à effet de serre nettes nulles à 2050. Plus de 90% des cellules solaires produites aujourd’hui utilisent le silicium comme matériau absorbeur. Néanmoins, cette technologie se rapproche de sa limite physique de conversion de l’énergie solaire de 29.4%, avec des performances de 27.3% obtenues en laboratoire. Pour dépasser cette limite, la prochaine génération de cellules solaires consistera en des dispositifs tandems, combinant deux matériaux de différents gaps, chacun efficace dans une partie du spectre solaire. Dans les laboratoires impliqués dans ce projet en particulier, plusieurs matériaux sont considérés en combinaison avec le silicium : les pérovskites, le CIGS et les matériaux III-V.
Le développement des dispositifs de la prochaine génération présente de multiples défis : nouveaux procédés de fabrication, nouveaux matériaux et combinaisons de matériaux, nouveaux mécanismes de vieillissement et modes de défaillance... Tous ces aspects nécessitent une meilleure compréhension de leurs principes de fonctionnement, grâce à de nouvelles méthodes de caractérisation et d'analyse des données. Dans ce projet, nous proposons de profiter du savoir-faire reconnu du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), de l’Institut Lavoisier de Versailles (ILV) et de leurs partenaires, en termes de caractérisation des dispositifs et d'équipements de pointe.
L'objectif du projet est de développer une nouvelle approche de caractérisation multi-échelle et multi-technique pour accélérer le développement de cellules solaires tandem fiables et à haut rendement. Plusieurs matériaux candidats (dont les pérovskites et le CIGS) présentent des inhomogénéités spatiales allant de l'échelle du nanomètre au centimètre. L’influence de ces variations sur les performances finales du dispositif et les mécanismes de vieillissement reste ouverte. Les méthodes à combiner comprennent la photoluminescence, cathodoluminescence, mesures nano-Auger, XPS local et EBSD.
Dans la première année de thèse, ces méthodes seront d'abord calibrées avec des matériaux III-V connus, avant d'être appliquées aux cellules CIGS, qui présentent des inhomogénéités prononcées. En deuxième et troisième années, ces méthodes seront étendues à la fois aux pérovskites, qui présentent des mécanismes de dégradation sévères, et à des échantillons qui auront subit des procédures de vieillissement accélérés.
Contexte :
Cette thèse fait partie du projet MINOTAURE du PEPR TASE, qui vise l’amélioration de la fiabilité des cellules solaires à travers le développement de nouvelles méthodes de caractérisation. Elle se déroulera en collaboration entre les équipes Sunlit du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) et l’équipe EPI de l’Institut Lavoisier de Versailles (ILV).