| Semi-conducteurs à base de Sb2Se3 pour applications photovoltaïques et photocatalytiques (Sb2Se3-based semiconductors for photovoltaic and photocatalytic applications) Ren, Donglou - (2021-09-20) / Universite de Rennes 1 - Semi-conducteurs à base de Sb2Se3 pour applications photovoltaïques et photocatalytiques
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Langue : Anglais Directeur(s) de thèse: Zhang, Xiang Hua; Cathelinaud, Michel Discipline : Science des matériaux Laboratoire : ISCR Ecole Doctorale : Matière, Molécules et Matériaux Classification : Chimie, minéralogie, cristallographie Mots-clés : séléniure d'antimoine (Sb2Se3), dopage, propriétés photoélectriques, cellules solaires, photocatalyse
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Résumé : Ce travail de thèse porte sur du Sb2Se3 dopé sous forme d'échantillons massifs ou en couches minces possédant d'excellentes propriétés photoélectriques pour des applications photovoltaïques et photocatalytiques. Des échantillons massifs de Sb2Se3 dopés au Cu ou au Te ont été préparés avec succès en utilisant une méthode de fusion en tube de slice scellé sous vide. Une teneur appropriée en dopant permet d'éviter une séparation de phases tout en améliorant considérablement la conductivité électronique et la concentration des porteurs de charge. Des couches minces ont été déposées en utilisant la pulvérisation cathodique avec des cibles à base de Sb2Se3 ayant précisément les compositions de (Cu0.05Sb0.95)2Se3, Sb2(Se0.9I0.1)3 et Sb2(Se0.97Te0.03)3. L'influence du recuit post-dépôt sur la cristallinité, la morphologie, les propriétés optiques, le type p/n et les performances photo-électrochimiques des couches minces a été systématiquement étudiée. Des cellules solaires à quasi-homojonction ont été fabriquées en utilisant ces couches minces dopés à base de Sb2Se3. La structure du dispositif et le mécanisme de recombinaison des porteurs de charge ont été étudiés en détail, notamment en utilisant les technologies IMPS (intensity-modulated photocurrent spectroscopy) et IMVS (intensity-modulated photovoltage spectroscopy (IMPS). Il a été démontré que la recombinaison due aux pièges n'affecte pas la densité de courant de court-circuit (Jsc), mais diminue considérablement la tension en circuit ouvert (Voc). Un dispositif photovoltaïque avec un rendement de 2,41% et un Voc d'environ 300 mV a été réalisé. Un des principaux facteurs limitant la performance est l'alignement inapproprié de bandes, conduisant à une recombinaison sévère des porteurs de charge aux interfaces du contact p-n et du contact arrière. La simulation numérique indique qu'un dispositif photovoltaïque avec un rendement de 18,96% et un Voc de 881 mV pourrait être obtenu. Pour la photocatalyse, deux composites à hétérojonction de Sb2Se3/NaSbSe2 et de Sb2Se3/β-In2Se3 avec une excellente stabilité électrochimique et de très bonnes propriétés photoélectriques ont également été préparés et testés avec succès pour la décomposition du méthyl orange sous illumination visible. Abstract : In this dissertation, doped Sb2Se3 bulks and films with excellent photoelectric properties have been studied for photovoltaic and photocatalytic applications. Firstly, Cu- and Te-doped Sb2Se3 bulks were successfully prepared by using high-temperature melting method in vacuum-sealed silica tube. An appropriate dopant content can avoid phase separation, enhance greatly the electronic conductivity and charge carrier concentration. Three Sb2Se3-based targets with the chemical composition of (Cu0.05Sb0.95)2Se3, Sb2(Se0.9I0.1)3 and Sb2(Se0.97Te0.03)3 have been successfully prepared. And then films have been deposited by using RF magnetron sputtering. The influences of post-deposition annealing on the crystallinity, surface morphology, optical properties, p/n type and photo-electro-chemical performance of the films have been systematically investigated. Quasi-homojunction thin film solar cells were fabricated using those doped Sb2Se3 films. The device structure and mechanism of carrier recombination have been studied in detail, particularly by using intensity-modulated photovoltage spectroscopy (IMVS), intensity-modulated photocurrent spectroscopy (IMPS). It was found that trap-assisted recombination does not affect the short-circuit current density (Jsc), but significantly decreases the open-circuit voltage (Voc). A 2.41% efficiency device with a Voc of about 300 mV was obtained. One main restricting factor for low-performance devices is inappropriate band alignment, leading to severe carrier recombination at the p-n and back contact interfaces. Numerical simulation indicates that a 18.96% efficiency device with a Voc of 881 mV can be expected. For photocatalytic applications, two heterojunction composites of Sb2Se3/NaSbSe2 and Sb2Se3/β-In2Se3 with excellent electrochemical stability and photoelectric properties have also been prepared and tested successfully for decomposing methyl orange under visible light illumination. | |||