Conception de films de TiO₂ pur et dopés par sol-gel pour l’amélioration de l’efficacité des cellules photovoltaïques / Mahdi Slaim Mohamed

Public ISBD Titre : Conception de films de TiO₂ pur et dopés par sol-gel pour l’amélioration de l’efficacité des cellules photovoltaïques Type de document : document électronique Auteurs : Mahdi Slaim Mohamed, Auteur ; Souad Laghrib, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2025 Importance : 1 vol (101 f.) Format : 29 cm Langues : Français (fre) Catégories : Thèses & Mémoires:Physique Mots-clés : Physique Index. décimale : 530 - Physique Résumé : Dans cette étude, des films minces de TiO₂, purs et dopés au Zn (4 % et 8 %), ont été élaborés par sol-gel/dip-coating pour une application comme couche tampon dans des cellules solaires CZTS. Les analyses DRX ont confirmé la formation d'une phase anatase stable, avec une croissance de la taille cristalline avec le dopage. L’étude morphologique révèle une amélioration de l’uniformité et une réduction de la rugosité à 4 % de Zn. La résistivité électrique augmente avec le taux de dopage et l’épaisseur, suggérant une diminution de la conductivité. Optiquement, le dopage entraîne une modification de la transmittance et une réduction du gap, favorable à l’absorption visible. Les structures FTO/TiO₂/CZTS/Au présentent un comportement redresseur, limité par la résistance série et les défauts d’interface. Ces résultats démontrent que le dopage au Zn permet d’optimiser les propriétés des couches tampons pour améliorer l'efficacité des cellules CZTS. Note de contenu : Sommaire Introduction Générale………………………………………………………………………..1 Chapitre I : Généralités sur les films minces de TiO2 I.1. Propriétés générales du TiO2................................................................................................ 5 I.1.1. Propriétés structurales ................................................................................................... 5 I.1.1.1. La phase rutile ........................................................................................................ 5 I.1.1.2. La phase anatase ..................................................................................................... 6 I.1.1.3. La phase brookite .................................................................................................... 8 I.2. Stabilité des phases de (TiO2) .............................................................................................. 9 I.3. Propriétés optiques ............................................................................................................. 10 I.4.Propriétés électroniques ...................................................................................................... 11 I.5. Dopage du dioxyde de titane (TiO₂) .................................................................................. 12 I.5.1. Objectifs du dopage ..................................................................................................... 12 I.5.2. Dopage de type n et de type p dans le TiO₂ ................................................................ 12 I.5.2.1. Dopage de type n dans le TiO₂ ............................................................................. 12 I.5.2.3. Dopage de type p dans le TiO₂ ............................................................................. 13 I.5.3. Intérêt du dopage de TiO2 au zinc (Zn²⁺) .................................................................... 14 I.6. Applications du TiO2 ......................................................................................................... 14 I.6.1. Applications dans l’optique ......................................................................................... 15 I.6.2. Application photo catalytique du TiO2 ........................................................................ 15 I.6.5. Applications comme capteurs de gaz .......................................................................... 16 I.9.6. Applications dans les systèmes électro-chrome .......................................................... 17 I.6.4. Applications photovoltaïques ...................................................................................... 18 I.6.4.1. Revêtement antireflet ............................................................................................ 18 I.6.4.2. Cellules solaires TiO2 / c-Si Hétérojonction ......................................................... 18 I.6.4.3. Les cellules solaires à colorant ............................................................................. 19 I.6.4.4. Contacts ohmiques ................................................................................................ 20 I.6.4.5. Masque de métallisation ....................................................................................... 20 Chapitre II : Méthodes d’élaboration des Films minces II . Méthodes d'élaborations des films minces ......................................................................... 31 II.1. Méthodes physiques (PVD): ......................................................................................... 32 II.1.1. Evaporation sous vide ............................................................................................ 32 II.1.2. Pulvérisation cathodique (Sputtering) .................................................................... 34 II.2. Méthodes chimiques ..................................................................................................... 35 II.2.1. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ............................................................... 35 II.2.2. Spray pyrolyse ........................................................................................................ 35 II.2.3. Méthode colloïdale ................................................................................................. 35 II.2.4. La méthode sol-gel ................................................................................................ 36 II.2.4.1. Le principe de Sol-gel ................................................................................... 36 II.2.4.2. Mécanismes réactionnels de la méthode Sol-Gel ......................................... 37 II.2.4.2.1. L’hydrolyse ........................................................................................ 37 II.2.4.2.2. la condensation .................................................................................. 38 II.2.4.2.3. Polymérisation ................................................................................... 39 II.2.4.2.4. Polycondensation ............................................................................... 39 II.2.4.2.5. Alcoxolation ....................................................................................... 39 II.2.4.2.6. Oxolation ........................................................................................... 40 II.2.4.2.7. Polymérisation par coordination ........................................................ 40 II.2.4.2.8. Alcoolation ......................................................................................... 41 II.2.4.2.9. Olation ............................................................................................... 41 II.2.4.3. Transition sol-gel .......................................................................................... 41 II.2.4.4. Influence de différents paramètres sur la couche mince de TiO2 ................. 42 II.2.4.5. Paramètres influençant la cinétique des réactions ........................................ 43 II.2.4.5.1. La Température ............................................................................... 43 II.2.4.5.2. Épaisseur du film............................................................................. 43 II.2.4.5.3. Influence du pH ............................................................................... 44 II.2.4.5.4. Le solvant ........................................................................................ 44 II.2.4.5.5. Le choix de l’alcoxydes et de sa concentration ............................... 44 II.2.4.5.6. Le taux d’hydrolyse ........................................................................... 44 II.2.4.5.7. La vitesse de réaction ......................................................................... 44 II.2.4.6. Différentes méthodes de dépositions de couches minces par voie sol-gel ... 45 II.2.4.6.1. Centrifugation « Spin-coating» .......................................................... 45 II.2.4.6.2. La technique Trempage-retrait « Dip-coating » ................................ 46 II.2.4.6.3. Flow coating (revêtement par écoulement) ....................................... 48 II.2.4.7. Influence de séchage ...................................................................................... 49 II.2.4.8. Les Avantages de la technique sol-gel ........................................................... 49 II.2.4.9. Les limites du procédé sol gel ........................................................................ 50 Chapitre III: Synthèse des films et Techniques de caractérisation III.1. Elaboration des couches minces ...................................................................................... 55 III.1.1. Préparation de la Solution de TiO2 pur et dopée au Zinc ......................................... 55 III.1.2. Choix des substrats ................................................................................................... 57 III.1.3. Nettoyage des substrats : .......................................................................................... 57 III.1.4. Dépôt des films et dispositif : trempage-tirage ......................................................... 58 III.1.5. Influence de séchage sur la structure obtenue .......................................................... 59 III.1.6. Traitement thermique ............................................................................................... 60 III.1.7. Application des films TiO2 pur et dopés comme couche tampon………………….64 III.2. Techniques de caractérisations ........................................................................................ 62 III.2.1. Diffraction des rayons X (DRX) .............................................................................. 64 III.2.2. Spectroscopie UV-Visible ........................................................................................ 67 III.2.3. La méthode des quatre pointes ................................................................................. 68 III.2.5. Mesures d’épaisseur des couches minces par profilomètre ...................................... 70 III.2.6. Microscopie à force atomique (AFM) ...................................................................... 71 Chapitre IV: Résultats et Discussions IV.1. Diffraction des rayons X (XRD) ..................................................................................... 76 IV.2. Résultats des mesures de l’épaisseur des films obtenus ................................................. 79 IV.3. Analyse morphologique par AFM .................................................................................. 81 IV.4. Caractérisation électrique ................................................................................................ 86 IV.4.1. Augmentation de la résistivité avec le dopage au zinc ............................................. 86 IV.4.2. Variabilité en fonction du nombre de couches ......................................................... 87 VI.4.3. Comparaison entre 4% et 8% Zn .............................................................................. 87 IV.5. Caractérisation optique.................................................................................................... 89 IV.5.1. Transmittance ........................................................................................................... 89 IV.5.2. Energie du gap optique ............................................................................................. 91 IV.6. Les caractéristiques de courant-tension (I-V) Sous-Obscurité ....................................... 94 Conclusion Générale……………………………………..……...…………………………104 Côte titre : MAPH/0681 Conception de films de TiO₂ pur et dopés par sol-gel pour l’amélioration de l’efficacité des cellules photovoltaïques [document électronique] / Mahdi Slaim Mohamed, Auteur ; Souad Laghrib, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2025 . - 1 vol (101 f.) ; 29 cm. Langues : Français (fre) Catégories : Thèses & Mémoires:Physique Mots-clés : Physique Index. décimale : 530 - Physique Résumé : Dans cette étude, des films minces de TiO₂, purs et dopés au Zn (4 % et 8 %), ont été élaborés par sol-gel/dip-coating pour une application comme couche tampon dans des cellules solaires CZTS. Les analyses DRX ont confirmé la formation d'une phase anatase stable, avec une croissance de la taille cristalline avec le dopage. L’étude morphologique révèle une amélioration de l’uniformité et une réduction de la rugosité à 4 % de Zn. La résistivité électrique augmente avec le taux de dopage et l’épaisseur, suggérant une diminution de la conductivité. Optiquement, le dopage entraîne une modification de la transmittance et une réduction du gap, favorable à l’absorption visible. Les structures FTO/TiO₂/CZTS/Au présentent un comportement redresseur, limité par la résistance série et les défauts d’interface. Ces résultats démontrent que le dopage au Zn permet d’optimiser les propriétés des couches tampons pour améliorer l'efficacité des cellules CZTS. Note de contenu : Sommaire Introduction Générale………………………………………………………………………..1 Chapitre I : Généralités sur les films minces de TiO2 I.1. Propriétés générales du TiO2................................................................................................ 5 I.1.1. Propriétés structurales ................................................................................................... 5 I.1.1.1. La phase rutile ........................................................................................................ 5 I.1.1.2. La phase anatase ..................................................................................................... 6 I.1.1.3. La phase brookite .................................................................................................... 8 I.2. Stabilité des phases de (TiO2) .............................................................................................. 9 I.3. Propriétés optiques ............................................................................................................. 10 I.4.Propriétés électroniques ...................................................................................................... 11 I.5. Dopage du dioxyde de titane (TiO₂) .................................................................................. 12 I.5.1. Objectifs du dopage ..................................................................................................... 12 I.5.2. Dopage de type n et de type p dans le TiO₂ ................................................................ 12 I.5.2.1. Dopage de type n dans le TiO₂ ............................................................................. 12 I.5.2.3. Dopage de type p dans le TiO₂ ............................................................................. 13 I.5.3. Intérêt du dopage de TiO2 au zinc (Zn²⁺) .................................................................... 14 I.6. Applications du TiO2 ......................................................................................................... 14 I.6.1. Applications dans l’optique ......................................................................................... 15 I.6.2. Application photo catalytique du TiO2 ........................................................................ 15 I.6.5. Applications comme capteurs de gaz .......................................................................... 16 I.9.6. Applications dans les systèmes électro-chrome .......................................................... 17 I.6.4. Applications photovoltaïques ...................................................................................... 18 I.6.4.1. Revêtement antireflet ............................................................................................ 18 I.6.4.2. Cellules solaires TiO2 / c-Si Hétérojonction ......................................................... 18 I.6.4.3. Les cellules solaires à colorant ............................................................................. 19 I.6.4.4. Contacts ohmiques ................................................................................................ 20 I.6.4.5. Masque de métallisation ....................................................................................... 20 Chapitre II : Méthodes d’élaboration des Films minces II . Méthodes d'élaborations des films minces ......................................................................... 31 II.1. Méthodes physiques (PVD): ......................................................................................... 32 II.1.1. Evaporation sous vide ............................................................................................ 32 II.1.2. Pulvérisation cathodique (Sputtering) .................................................................... 34 II.2. Méthodes chimiques ..................................................................................................... 35 II.2.1. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ............................................................... 35 II.2.2. Spray pyrolyse ........................................................................................................ 35 II.2.3. Méthode colloïdale ................................................................................................. 35 II.2.4. La méthode sol-gel ................................................................................................ 36 II.2.4.1. Le principe de Sol-gel ................................................................................... 36 II.2.4.2. Mécanismes réactionnels de la méthode Sol-Gel ......................................... 37 II.2.4.2.1. L’hydrolyse ........................................................................................ 37 II.2.4.2.2. la condensation .................................................................................. 38 II.2.4.2.3. Polymérisation ................................................................................... 39 II.2.4.2.4. Polycondensation ............................................................................... 39 II.2.4.2.5. Alcoxolation ....................................................................................... 39 II.2.4.2.6. Oxolation ........................................................................................... 40 II.2.4.2.7. Polymérisation par coordination ........................................................ 40 II.2.4.2.8. Alcoolation ......................................................................................... 41 II.2.4.2.9. Olation ............................................................................................... 41 II.2.4.3. Transition sol-gel .......................................................................................... 41 II.2.4.4. Influence de différents paramètres sur la couche mince de TiO2 ................. 42 II.2.4.5. Paramètres influençant la cinétique des réactions ........................................ 43 II.2.4.5.1. La Température ............................................................................... 43 II.2.4.5.2. Épaisseur du film............................................................................. 43 II.2.4.5.3. Influence du pH ............................................................................... 44 II.2.4.5.4. Le solvant ........................................................................................ 44 II.2.4.5.5. Le choix de l’alcoxydes et de sa concentration ............................... 44 II.2.4.5.6. Le taux d’hydrolyse ........................................................................... 44 II.2.4.5.7. La vitesse de réaction ......................................................................... 44 II.2.4.6. Différentes méthodes de dépositions de couches minces par voie sol-gel ... 45 II.2.4.6.1. Centrifugation « Spin-coating» .......................................................... 45 II.2.4.6.2. La technique Trempage-retrait « Dip-coating » ................................ 46 II.2.4.6.3. Flow coating (revêtement par écoulement) ....................................... 48 II.2.4.7. Influence de séchage ...................................................................................... 49 II.2.4.8. Les Avantages de la technique sol-gel ........................................................... 49 II.2.4.9. Les limites du procédé sol gel ........................................................................ 50 Chapitre III: Synthèse des films et Techniques de caractérisation III.1. Elaboration des couches minces ...................................................................................... 55 III.1.1. Préparation de la Solution de TiO2 pur et dopée au Zinc ......................................... 55 III.1.2. Choix des substrats ................................................................................................... 57 III.1.3. Nettoyage des substrats : .......................................................................................... 57 III.1.4. Dépôt des films et dispositif : trempage-tirage ......................................................... 58 III.1.5. Influence de séchage sur la structure obtenue .......................................................... 59 III.1.6. Traitement thermique ............................................................................................... 60 III.1.7. Application des films TiO2 pur et dopés comme couche tampon………………….64 III.2. Techniques de caractérisations ........................................................................................ 62 III.2.1. Diffraction des rayons X (DRX) .............................................................................. 64 III.2.2. Spectroscopie UV-Visible ........................................................................................ 67 III.2.3. La méthode des quatre pointes ................................................................................. 68 III.2.5. Mesures d’épaisseur des couches minces par profilomètre ...................................... 70 III.2.6. Microscopie à force atomique (AFM) ...................................................................... 71 Chapitre IV: Résultats et Discussions IV.1. Diffraction des rayons X (XRD) ..................................................................................... 76 IV.2. Résultats des mesures de l’épaisseur des films obtenus ................................................. 79 IV.3. Analyse morphologique par AFM .................................................................................. 81 IV.4. Caractérisation électrique ................................................................................................ 86 IV.4.1. Augmentation de la résistivité avec le dopage au zinc ............................................. 86 IV.4.2. Variabilité en fonction du nombre de couches ......................................................... 87 VI.4.3. Comparaison entre 4% et 8% Zn .............................................................................. 87 IV.5. Caractérisation optique.................................................................................................... 89 IV.5.1. Transmittance ........................................................................................................... 89 IV.5.2. Energie du gap optique ............................................................................................. 91 IV.6. Les caractéristiques de courant-tension (I-V) Sous-Obscurité ....................................... 94 Conclusion Générale……………………………………..……...…………………………104 Côte titre : MAPH/0681

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