Thèse : Chithira Venugopalan : Growth and characterization of Cuprous Oxide Absorbers for Photovoltaics

Titre : Croissance et caractérisation d'absorbeurs à base d'oxyde cuivreux pour le photovoltaique

Equipe : MaCEPV

Composition du jury

M. BARREAU Nicolas  -- Rapporteur - Maître de conférences HDR,IMN, Université de Strasbourg

Résumé 

L’oxyde cuivreux (Cu2O) est un candidat prometteur comme absorbeur photovoltaïque. Dans ce travail,nous avons tout d’abord optimisé les conditions de dépôt de films de Cu2O purs sans phase parasitede CuO par ablation laser pulsé (PLD) et pulvérisation cathodique RF. Nous avons également optimisél’oxydation thermique de feuilles de cuivre pour obtenir Cu2O. Nous avons montré que la stœchiométrie des films peut être contrôlée en variant les conditions de dépôt. Les propriétés des films en tant qu’absorbeur ont été investiguées en détail avec différentes techniques structurales, optiques et électriques. Pour étudier l’influence de la technique de croissance de Cu2O sur les propriétés en tant qu’absorbeur, les films de Cu2O optimisés par PLD et pulvérisation cathodique ont été comparés aux feuilles de Cu2O oxydées thermiquement. La réponse photovoltaïque de ces absorbeurs préparés via les différentes techniques a été mesurée en élaborant des cellules solaires à base d’hétérojonctions adaptées. Une tension de circuit ouvert de 0.56 V a été mesurée à partir de films épitaxiés par PLD avec une hétérojonction à base de Nb:SrTiO3. Le meilleur courant a été obtenu avec des cellules solaires de feuilles de Cu2O oxydé thermiquement, fournissant une densité de courant de 1.90 mA/cm2. Les cellules solaires à base de Cu2O obtenu par pulvérisation cathodique offrent également une réponse photovoltaïque intéressante. Pour finir, la variation des performances des différents absorbeurs de Cu2O a été analysée en utilisant des techniques de caractérisation avancées comme l’absorption transitoire et la technique de TCSPC (Time-Correlated Single Photon Counting). Nous montrons que la présence de défauts ou pièges influence le temps de vie des porteurs dans les films obtenus par PLD et pulvérisation cathodique, ce qui affecte l’efficacité de la séparation des porteurs de charge dans les cellules solaires

Mots clés : oxydes, PLD, pulvérisation cathodique, oxydation thermique, cellule solaire, Cu2O

Jury Members :

M.EL MARSSI  Mimoun-- Reporter - Professeur, LPMC Université de Picardie Jules Verne, Amiens
Mme.VIART Nathalie -- Examinator - Professeur, IPCMS, CNRS- Université de Strasbourg
M.DESCHANVRES Jean-Luc  -- Examinator- Chargé de recherche HDR, LMGP, CNRS- Université Grenoble Alpes
M.SLAOUI Abdelilah -- Supervisor - Directeur de recherche, ICube, CNRS- Université de Strasbourg
M.FIX Thomas -- Co-supervisor - Chargé de recherche HDR, ICube, CNRS- Université de Strasbourg
M. FERBLANTIER Gérald  -- Invitee -Maître de conférences, ICube, CNRS- Université de Strasbourg

Summary

Cuprous Oxide (Cu2O) is a promising candidate as an absorber in photovoltaics. In this work, initially we have optimized the deposition conditions for pure Cu2O film without any parasitic CuO phase via Pulsed Laser Deposition (PLD) and RF Magnetron Sputtering. Optimization of the thermal oxidation of copper sheets to obtain Cu2O was also carried out. We have shown that the stoichiometry of the film can be controlled by varying the deposition conditions. The absorber properties of the films wereinvestigated in detail with several structural, optical, and electrical characterization techniques. To study the influence of the Cu2O growth technique on the absorber properties, optimised PLD and sputtered Cu2O films were compared to thermally oxidised Cu2O sheets. The photovoltaic response of the same absorber prepared via different techniques was also investigated by constructing solar cells with suitable heterojunctions. An open-circuit voltage of 0.56 V was measured from epitaxially grown PLD Cu2O with Nb:SrTiO3 heterojunction. The highest current was obtained for solar cell with thermally oxidised sheet with a short-circuit current density of 1.90 mA/cm2. The sputtered Cu2O solar cell also showed promising photovoltaic response. Finally, the variation in the absorber efficiency of Cu2O was analysed using advanced characterization techniques such as Transient Absorption and Time-Correlated Single Photon Counting. The presence of defects or traps were found to influence the carrier lifetime in the PLD and sputtered Cu2O films, highly affecting the charge carrier separation efficiency when employed in a photovoltaic cell.

Keywords: Oxides, PLD, Magnetron Sputtering, Thermal Oxidation, Solar Cell, Cu2O