H/F Ingénierie interfaciale avancée de cellules solaires tandem à haut rendement Cu(In,Ga)S2/oxydes con

Sujet de thèse :
Le secteur photovoltaïque (PV) connaît une croissance rapide et devient l'un des principaux piliers de la transition énergétique. Dans ce contexte, une feuille de route ambitieuse a été publiée lors de la COP21, initiée par l'IPVF en relation avec dix autres instituts dans le monde, nommée "30-30-30". Elle vise à atteindre des rendements de conversion de 30 %, à partir de modules à 30 centimes par Watt en 2030. Pour atteindre des rendements de conversion supérieurs à 30 %, valeur maximale des cellules silicium à simple jonction, une stratégie consiste à développer des cellules solaires tandem dont les absorbeurs respectifs ont des bandes interdites complémentaires. Ces systèmes multi-jonctions peuvent en principe atteindre un rendement supérieur à 40 %.
Une des visions stratégiques du projet IOTA « InnOvative Tandem Architectures » mené dans le cadre du PEPR TASE (Technologies Avancées pour les Systèmes Energétiques), est de combiner deux technologies PV industriellement matures pour réaliser des structures tandem à deux terminaux. L’architecture cible associe un absorbeur de type chalcopyrite Cu(InGa)S2 ou CIGS dont la bande interdite avoisine les 1.6 eV à une cellule inférieure en silicium cristallin (c-Si). Cependant, l’intégration directe d’une cellule CIGS sur un substrat c-Si présente des verrous technologiques majeurs, notamment l’absence d’adhérence du CIGS sur le silicium, même après désoxydation. Cela rend indispensable l’utilisation de couches interfaciales adaptées assurant à la fois le couplage optique et électrique entre les deux sous-cellules. Les oxydes conducteurs transparents (TCOs) apparaissent comme des candidats particulièrement prometteurs à cet effet, car ils permettent non seulement d'assurer la transmission de la lumière vers la cellule inférieure tout en servant de contact arrière transparent pour la cellule CIGS, mais également d'offrir une base favorable à la croissance du CIGS, notamment dans une approche par collage où ils remplacent avantageusement le molybdène. Dans le cadre du projet ANR-PASTEL (2021-2025), impliquant entre autre les deux laboratoires partenaires de cette thèse, un certain nombre de TCO et de couches de passivation ont été testés sur des dispositifs à base de CIGSe (Cu(In,Ga)Se2) fournissant des données précieuses pour la sélection des matériaux, TCO et couches de passivation, les plus adaptés à une intégration en tandem avec le silicium.
L'objectif de cette thèse est tout d'abord d'identifier les oxydes, TCO et couches de passivation, les plus pertinents en tant que contact arrière transparent et/ou couche d'interface (c.-à-d. inter-couche). Cette sélection reposera non seulement sur les propriétés intrinsèques des matériaux, mais surtout sur la qualité optoélectronique de leur interface avec le CIGS, afin de minimiser les pertes liées aux défauts d’interface et aux désalignements de bandes. Afin d’identifier les mécanismes limi
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