Angelica Thomere

Les cellules solaires en couches minces à base d’un absorbeur Cu(In,Ga)S2 (CIGS) sont actuellement envisagées pour former une cellule tandem avec une cellule à base de silicium. Le gap désiré pour cette application est ~1,7 eV et peut être obtenu pour une composition Cu(In0,7,Ga0,3)S2 qui est la composition d’intérêt de notre étude. Cependant, au cours d’un dépôt de couche mince, plusieurs phases sont susceptibles de se former et il existe très peu d’informations sur les phases soufrées CIGS dans la littérature.L’objectif de cette thèse est d’étudier fondamentalement les structures et les propriétés des phases CIGS par une approche de cristallochimie, afin d’obtenir des informations pour l’optimisation d’un dépôt de couches minces par co-évaporation. Elle se divise en deux parties : une partie sur les échantillons dits “massifs”, sous forme de poudres et cristaux, synthétisés par voie céramique à haute température, et une partie sur les matériaux sous forme de couches minces, déposées sur des substrats de verre/molybdène par co-évaporation. Les structures et compositions des deux types d’échantillons sont déterminées par diffraction des rayons X et analyse élémentaire EDX. La première partie a permis d’établir un diagramme de phases de CIGS et de connaître le domaine de stabilité de la structure chalcopyrite. La seconde a permis l’optimisation d’un procédé de co-évaporation qui a mené à l’élaboration de cellules solaires prometteuses.

The potential of tandem solar cells combining two chalcopyrite absorbers is evaluated using numerical modeling based on an exhaustive set of experimental parameters, offering a high degree of confidence in the numerical values reported herein. The simple yet reliable approach used here combines a transfer matrix‐based optical model of the wide bandgap CIGSe top subcell used as input for the 1D electrical modeling of a reference narrow bandgap CIGSe bottom cell. Various optical optimizations to the top subcell are investigated, with the aim to increase the bottom subcell current and reduce the efficiency threshold needed at the top subcell for the tandem device to beat the current single junction efficiency record. The results here suggest that significant progress compared with the state of the art can be made using a pure CuGaSe₂ absorber combined with an optimized back contact with an ultrathin transition metal oxide interlayer. With a bottom subcell current more than doubled in the optimum top subcell configuration, a challenging yet clear pathway for the future realization of tandem solar cells based on chalcopyrite absorbers is offered.