Anna Gagliardi

Since Cu(In _x Ga _{1 − x} )Se ₂ (CIGS) absorbers are among the most efficient materials for photovoltaic energy conversion, it is crucial to understand their degradation mechanisms and the key factors driving them. To do so, we present aging studies up to 2000 h at 80% relative humidity and 20°C, first under illumination and then in the dark. Three complementary techniques are used to unveil the evolution of the absorber at different probing depths. Surface and subsurface chemical reactivities are investigated, respectively, thanks to XPS (x‐ray Photoelectron Spectroscopy) and HaXPES (Hard x‐ray Photoemission Spectroscopy) characterizations (probing from 3 up to 41 nm). In addition, EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) measurements unveil the bulk chemical reactivity at 0.7 and 1.3 µm. The main result is a greater sensitivity of the absorber's surface when RH is combined with light rather than dark exposure, which triggers the CIGS network faster, leading to oxide phase growth, Se ⁰ side phases appearance, and Na diffusion. This shows that the degradation is boosted in the presence of light. On the other hand, the CIGS bulk results intact around 1 µm under all the ambient conditions investigated.

Infrared (IR) sensing is essential for space applications such as remote sensing and spectroscopy, where sensors must withstand harsh radiation environments. Traditional IR sensors rely on II–VI and III–V semiconductor thin films, but emerging technologies like colloidal nanocrystals (NCs) offer cost-effective and scalable alternatives. However, the current study dedicated to their radiation tolerance remains very limited, thus leaving their potential unclear. This study investigates the radiation hardness of short-wave infrared (SWIR) photodiodes based on HgTe/CdS core–shell NCs, focusing on their resilience to X-ray, high-energy proton, and He+ ion irradiations, key challenges for space missions. The HgTe/CdS NCs, known for their thermal stability and low dark current, were processed into a diode stack and subjected to irradiation. Using X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and depth profiling, we correlated optoelectronic degradation with nanoscale chemical and structural modifications, such as anion oxidation and cation redistribution. These findings highlight the potential of colloidal NCs to operate in a harsh radiation environment.

De nos jours, l'un des absorbeurs solaires de référence est l'alliage quaternaire Cu(InₓGa₁₋ₓ)Se₂ (CIGS), dont les cellules atteignent des rendements pouvant aller jusqu'à 23,6 %. De telles performances élevées ont été obtenues grâce à une optimisation approfondie à la fois des couches constitutives et de l'architecture globale du dispositif. Cependant, le maintien de ces rendements dans le temps nécessite une compréhension précise de la surface de l'absorbeur, qui gouverne les interfaces critiques où se produit la conversion de l'énergie solaire. Dans cette optique, la présente thèse étudie les effets de l'humidité, de la lumière, de la température et de l'oxygène sur la dégradation d'absorbeurs CIGS nus (SLG/Mo/CIGS), au moyen d'une approche multitechniques et multi-échelles centrées sur l'analyse de surface. Celle-ci combine différentes méthodes de spectroscopie photoélectronique et électronique telles que XPS, HAXPES, NAP-XPS, Nano-AES et SEM-EDS. Les résultats démontrent que le déclenchement, l'ampleur et la profondeur de pénétration de la dégradation dépendent fortement des conditions environnementales. L'humidité agit comme la force motrice principale, la lumière comme un accélérateur, l'oxygène comme déclencheur chimique essentiel (aucune dégradation ne survenant en son absence), tandis qu'une température élevée favorise la migration du molybdène depuis le contact arrière. En établissant un lien entre la science fondamentale des matériaux et la fabrication pratique des dispositifs, cette recherche contribue au développement de technologies solaires à base de CIGS plus durables et plus résilientes.