Characterization of polycrystalline heterostructures by transmission electron microscopy : application to Cu(In,Ga)Se2 based solar cells.
Caractérisation d’hétérostructures polycristallines par microscopie électronique en transmission : application aux cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2
Résumé
The aim of this thesis is the characterization of Cu(In,Ga)Se2 based (CIGSe) thin film solar cells at the nanoscale by transmission electron microscopy (TEM) to better understand some of their macroscopic electrical characteristics. The CIGSe cells electrical back contact is amolybdenum thin layer made of crystalline columns separated by an amorphous phase which allows alkali, necessary to obtain high conversion yields, to diffuse from the glass substrate toward the CIGSe layer. The volume fraction of the amorphous phase can be adjusted by varying the argon pressure during molybdenum deposition by sputtering. Electron energy loss spectroscopy (EELS) allowed the identification of this amorphous phase. MoSe2 layer, which is formed spontaneously at the interface between Mo and CIGSe layers, was characterized by TEM under different deposition conditions. The elemental composition of the CIGSe layer is not homogenous. When the CIGSe layer is deposited by the "3-stage" process, the In/Ga ratio varies throughout the layer. This composition gradient depends on the characteristics of the molybdenum layer and affects the electrical results of the cells. In/Ga gradient was determined from low loss EELS signal and has been evaluated by comparing the profiles with those obtained by other analytical techniques. The potential role of alkali in the amplitude of In/Ga gradient is also discussed.
L’objectif de cette thèse est de caractériser les cellules solaires en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) à l’échelle nanométrique par microscopie électronique en transmission (MET) afin de mieux comprendre certaines de leurs caractéristiques électriques macroscopiques. Le contact électrique arrière des cellules CIGSe est une couche mince de molybdène constituée de colonnes cristallisées séparées par une phase amorphe qui laisse diffuser les alcalins nécessaires à l’obtention de rendements de conversion élevés depuis le substrat de verre vers la couche de CIGSe. La fraction volumique de la phase amorphe peut être ajustée en faisant varier la pression d’argon lors du dépôt de molybdène. La spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) a permis de l’identifier. La couche de MoSe2 qui se forme spontanément à l’interface entre la couche de Mo et celle de CIGSe a été caractérisée par MET en fonction de différentes conditions de dépôt. La composition élémentaire de lacouche de CIGSe n’est pas homogène. Lors du dépôt de la couche de CIGSe par le procédé « 3-stage », le rapport In/Ga varie le long de la couche. Ce gradient de composition dépend des caractéristiques de la couche de molybdène et influence les résultats électriques descellules. La détermination du gradient In/Ga par EELS à partir du signal des pertes faibles a été validée en comparant les profils à ceux obtenus par d’autres techniques d’analyse. Le rôle que peuvent jouer les alcalins dans l’amplitude du gradient In/Ga a également été discuté.