Chalcogénure et chalcogénure-halogénure mixte d'antimoine comme nouveaux matériaux photoactifs sans plomb pour les cellules photovoltaïques de dernière génération

Abstract

Ce travail de fin d’études a pour premier objectif d’optimiser des dépôts de films minces de stibine sur des substrats de FTO/TiO2BL et FTO/TiO2BL/TiO2-mp par un processus de spin-coating. L’effet du traitement thermique et de la vitesse de dépôt sur les propriétés structurelles (cristallisation, taux de couverture, épaisseur) et optoélectroniques (absorbance et bande interdite) des échantillons a été étudié par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage, spectrophotométrie, courbes I-V et spectroscopie d'impédance, respectivement, afin de déterminer les caractéristiques optimales de la couche de stibine pour améliorer l'efficacité photovoltaïque des dispositifs assemblés. Pour les échantillons FTO/TiO2BL/Sb2S3, deux précurseurs ont été étudiés, le chlorure d’antimoine et l’acétate d’antimoine. Pour les échantillons FTO/TiO2BL/TiO2-mp/Sb2S3, seul le chlorure d’antimoine a été étudié. Les films de stibine sont obtenus à partir d’une solution de SbCl3 (ou Sb(Ac)3)-thiourée de concentration 1 M. Le traitement thermique sélectionné sur base de notre étude pour les échantillons FTO/TiO2BL/Sb2S3 est 100°C – 180°C – 265°C – TU-DMSO – 300°C à une vitesse de 4200 RPM, tandis que pour les échantillons FTO/TiO2BL/TiO2-mp/ Sb2S3, le traitement thermique est 150°C – 200°C – 300°C (20 min) à une vitesse de 4200 RPM également. Une fois le traitement thermique et la vitesse de dépôt optimaux définis, les échantillons de stibine (chalcogénure) sont convertis en SbSI (chalcogénure-halogénure mixte) au moyen d’une solution de SbI3 de concentration 0,1 M par différentes méthodes de dépôt : spin-coating, aérographe et sublimation en boîte de Petri, le but étant de déterminer si le composé chalcogénure-halogénure mixte SbSI permet effectivement de tirer parti des avantages de stabilité des chalcogénures et d’efficacité de transport de charges des halogénures et d’améliorer ainsi les efficacités de conversion des cellules solaires à base de SbSI par rapport à celles à base de Sb2S3.

The primary objective of this master thesis was to optimise the deposition of stibine thin films on FTO/TiO2BL and FTO/TiO2BL/TiO2-mp substrates using a spin-coating process. The effect of heat treatment and deposition speed on the structural (crystallisation, coverage ratio, thickness) and optoelectronic (absorbance and band gap) properties of the samples were investigated by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, spectrophotometry, I-V curves and impedance spectroscopy, respectively, to determine the optimal characteristics of the stibine layer to improve the photovoltaic efficiency of the assembled devices. For FTO/TiO2BL/Sb2S3 samples, two precursors were studied, antimony chloride and antimony acetate, for FTO/TiO2BL/TiO2-mp/Sb2S3 samples, only antimony chloride was studied. The stibine films were obtained from a 1M solution of SbCl3 (or Sb(Ac)3)-thiourea. The heat treatment chosen on the basis of our study for the FTO/TiO2BL/Sb2S3 samples is 100°C - 180°C - 265°C - TU-DMSO - 300°C at a spinning speed of 4200 RPM, while for the FTO/TiO2BL/TiO2-mp/ Sb2S3 samples, the heat treatment is 150°C - 200°C - 300°C (20 min) also at a speed of 4200 RPM. Once the optimum heat treatment and deposition rate had been defined, the stibine (chalcogenide) samples were converted to SbSI (mixed chalcogenide-halide) using a 0.1 M solution of SbI3 by various deposition methods: spin-coating, airbrush and sublimation in a Petri dish. The aim was to verify whether the SbSI mixed chalcogenide-halide compound does indeed enable the advantages of chalcogenide stability and halide charge transport efficiency to be exploited, thereby improving the conversion efficiencies of SbSI-based solar cells compared with those based on Sb2S3.