Caractérisation des couches minces de SnO2 élabore par spray ultrasonique utilisées dans les cellules solaires

Abstract

L’objectif de cette thèse était d’élaborer des couches minces d'oxyde d'étain SnO2 dopé qui sont des oxydes transparents conducteur (TCOs) promoteur et facile à élaboré à partir d’une méthode nouvelle dite Spray ultrasonique et avec un précurseur chimique contenant un sel de l’étain en déposant, pendant 3 mn, ce précurseur sur des substrats en verre chauffé à 480°C. Il a été décidé de fixer des conditions opératoires de ces couches minces et leurs dopage par le fluore, l’antimoine ou le lithium. Pour arriver à optimiser ses propriétés optoélectroniques du SnO2 qui lui confiée d'être en premier lieu un alternative aux (TCOs) qui contiennent de l’Indium ( par exemple In2O3), élément connu par leur rareté, et en deuxième lieu de préparer des électrodes collectrices pour les employer dans les cellules solaires. Ces deux effets (alternative aux (TCOs) et électrodes collectrices) sont nos objectifs de ce travail. Ceci a nécessité une étude fondamentale pour la détermination des ces grandeurs optoélectroniques (Transparence, réflectance, gap optique, conductivité électrique …etc) du SnO2 non dopé et dopé en fonction des éléments dopant (F, Sb et Li). L’étude et la détermination des ces grandeurs optoélectroniques avant et après dopage par ces éléments a fait l’objet des chapitre II, III, IV de cette thèse. L’étude des propriétés de ces couches minces avant et après dopage a été faite, par les méthodes : DRX, MFA, UV-Visible et proche IR, Photo luminescence, méthode de 4 points et effet Hall pour les propriétés électriques.

The aim of this thesis was to elaborate doped SnO2 thin films which are one of the transparent conductors oxides (TCOs) and easy to be prepared. Using as novel method «Spray ultrasonic», where precursor containing tin salt will be deposited, during 3mn, on 480°C heated glass substrates, it was decided to carry out the optimum conditions of doping this material by three different dopant such as Fluorine, Antimony and Lithium (F, Sb and Li) separately. In order to study and achieve optimized conditions to this material for specific goals (solar cells use). As first goal, fluorine, antimony and Lithium doped tin oxide SnO2 to be as an alternative for TCOs containing Indium such as In2O3 (In is rare and expensive material) and secondly to elaborate transparent conductors electrodes for solar cells applications. Necessity for this was to determine its fundamental physics magnitudes such as (Transparence, reflectance, optical gap, electrical conductivity …etc) before and after doping with the tree dopant elements (F, Sb and Li). Chapter II, III and IV aim on studying, the physical properties of the SnO2 thin films, before and after doping by using DRX, MFA, UV-Visible and near IR, Photo luminescence, 4 points method and Hall Effect. As results it was obtained that:  SnO2 thin films are poly crystalline with (200) orientation before and with (211) after doping with F , Sb or Li and having crystallite size ranged in 11-36nm average;  Transmittance results show that elaborated SnO2 thin films have more over 80% for doped and undoped ones whereas optical band gap is ranged 3.6-4.0eV. with index refraction (n= 1.99);  Effect of F doping on SnO2 thin films is to substitute the oxygen atom (O) by fluorine one whereas but Sb doping effect is to substitute the tin atom (Sn). For both dopants, F or Sb, clear amelioration in conductivity was well remarked. Whereas Lithium with its considered lower dimension of radius than fluorine or antimony behaviors in substitution of Sn atom in the matrix of SnO2.  For electrical results only a feeble resistivity (high conductivity) was shown for the 6-7% F and 0.8% Sb doped SnO2 thin films. Resistivity values were around 1.46 10-3 Ω.Cm-1 and 2.17 10-3 Ω.Cm-1 respectively;  A factors of merit, revealing the energetic aspect of this work and gathering optical and electrical properties were around 1.3 10-2Ω-1 and 0.2 10-2Ω-1 for the 6-7% F and 0.8% Sb doped SnO2 thin films respectively leading to proclaim that those conditions of F or Sb doping are adequate and optimized for SnO2 thin films to be used as electrodes for solar cells applications. Whereas doping with lithium shows feebler results, for the resistivity and factor of merit respectively (68.32 10-3 Ω.Cm-1, 0.01 10-2Ω-1), than those carried out with fluorine or antimony doped SnO2 and get out from the purpose of this study.

المطعم. ھذا الأخیریعتبر من بین (SnO إن الھدف من ھذه الاطروحة ھو تحضیر شرائح من اكسید القصدیر ( 2 أنصاف النواقل الشفافة والموصلة الواعدة والسھلة المنال باستعمال طریقة الرش بالأمواج الفوق صوتیة لمحلول كیمیائي في المثانول والماء المقطر مع إضافة قطرات من حمض الكبریت المركز. ( SnCl ناتج عن إ ذابت ملح كلورالقصدیر ( 2 مدة الرش - ھي 3 دقائق- على صفائح زجاجیة ساخنة تبلغ درجة حرارتھا 480 د م. من اجل ھذا قررنا تثبیت الشروط الاختباریة والعملیة للحصول على شرائح (اكسید القصدیر) وتطعیمھا بالفلیور اوالانتیموان او اللثیوم في ھذا العمل.من اجل الوصول للشروط المعیاریة و التي كانت من أولویات اھتمامنا من جھة وذلك بتحسین الخصائص الكھروضوئیة لھذه المادة (اكسید القصدیر) حتى تجاري خصائص أكسید الأندیوم المطعم بالقصدیر وتكون بدیلا عنھ. لأن أكسید الأندیوم المطعم بالقصدیر یتحتوي على عنصر الاندیوم في تركبتھ (عنصر نادر ومرتفع الثمن). ولھذا قررنا تحضیر شرائح (اكسید القصدیر) لجعلھا مساري موصلة و شفافة لاستعمالھا في الخلایا الشمسیة. إن ھذا تطلب دراسة معمقة من اجل تعین القیم الكھروضوئیة (النفاذ والانعكاس والعصابة المانعة والناقلیة الكھربائیة...الخ).لأكسید القصدیر غیر المطعم والمطعم بدلالة العناصر الثلاث المطعمة المذكورة سابقا. دراسة وتعین ھذه القیم الكھروضوئیة قبل وبعد تطعیم كانت فحو الفصل الثاني والثالث والرابع من ھذه الاطروحة وكانت دراسة خصائص ھذه ا لشرائح الرقیقة بالطرق التالیة: الأشعة السینیة و مجھر القوة الذریة والمطیاف البنفسجي والمرئي و الأشعة الحمراء القریبة وجھاز الانبعاث الضوئي وكدالك المسابر الأربعة ومفعول ھول. إن مفعول التطعیم بالفلیور لشرائح اكسید القصدیر المصنعة بالرش الفوق صوتي اسفر عن استبدال ذرة الاكسجین بذرة الفلیور اما مفعول التطعیم بالانتیموان لشرائح أكسید القصدیر ادى إلى عملیة استبدال لذرة القصدیر بذرة الانتیموان اما مفعول التطعیم باللیثیوم اسفر عن استبدال لذرة القصدیر بذرة اللیثیوم. وكذلك مفعول حجم الرذاذ فكانا فحو الفصل الرابع اما ما أسفرت عنھ نتائج ھذه الدراسة فھو كمایلي: إن بنیة الشرائح كانت متعددة البلورات ذات المتجھ الأفضل ( 211 ) قبل التطعیم والمتجھ ( 200 ) بعد التطعیم بالفلیور اما  التطعیم بالانتیموان واللیثیوم بقي المتجھ الأفضل ( 211 ) مثل بلورات أكسید القصدیر غیر المطعم . أما حجم البلورات فتراوح بین 11 و 36 نانومتر؛ أظھرت نتائج النفاذ أن شرائح أكسید القصدیر المحضرة سواء كانت غیر المطعمة أو المطعمة نفاذھا في المجال المرئي  ؛ یفوق 80 % أما طاقةالعصابة الممنوعة فامتدت من 3.6 الى 4 الكترون فولط مع قرینة انكسار قدرت ب 1.99 أما بنسبة للنتائج الكھربائیة فلقد وجد أنھ من اجل التطعیم بذرة الفلیور من 6 الى 7ك% و 0.8 ك% بالانتیموان لشرائح  أكسید القصدیر فإن ھذه الأخیرة تمتاز(بناقلیھ عالیة جدا) أي مقاومیھ ضعیفة جدا قدرت على النحوي التالي: (1.46 10-3 Ω.Cm-1 et 2.17 10-3 Ω.Cm-1) من اجل معامل استحقاق ذو الصبغة الطاقویة لھذه الدراسة والذي یجمع بین المقادیر الكھربائیة والضوئیة فكانت قیمتھ  من رتبة: 7 % تطعیم بالفلیور و تطعیم 0.8 % بالانتموان. ھذه القیم تعتبر مؤشرا لأفضلیة النتائج وأن - 1.3 من اجل 6 10-2Ω-1 استعمال و تطبیق ھذه الشرائح في الخلایا الشمسیة مجدي. 68.32 ) اقل نجاعة 10-3 Ω.Cm-1, 0.01 10-2Ω- أما التطعیم باللیثیوم فأعطى نتائج للمقاومیة و معامل استحقاق ( 1  للھدف المرتقب من ھذه الأطروحة