Elaboration de couches d'oxyde de cuivre par un procédé électrochimique et examen de leurs propriétés photoélectrochimiques

Abstract

Les oxydes semi-conducteurs sont appliqués dans les technologies photovoltaïques (PV) depuis de nombreuses années. La polyvalence remarquable de leurs propriétés et la possibilité de les fabriquer par des méthodes simples, peu coûteuses et facilement évolutives confèrent aux oxydes une place unique dans le photovoltaïque de nouvelle génération (NGPV). Leur capacité exceptionnelle à préserver ou à améliorer les caractéristiques des dispositifs, même en tant que matériau non cristallin (amorphe), permet leur application dans les dispositifs PV flexibles, semi-transparents et l'électronique. Les oxydes semi-conducteurs (dopés et non dopés) ont démontré qu'ils offraient une stabilité et une durée de vie améliorée aux PV de pointe tels que les cellules solaires organiques (OPV), ce qui constitue une étape importante vers l'industrialisation et la commercialisation des NGPV. Les oxydes semi-conducteurs, dans leur forme plus complexe, peuvent également fournir des propriétés telles que le magnétisme, la ferroélectricité ou la pyroélectricité, qui, collectivement avec les matériaux les plus classiques, peuvent offrir des fonctionnalités nouvelles et innovantes. Dans ce travail, on s'est intéressés aux oxydes métalliques semi- conducteurs à base de Cu2O pouvant être appliqués dans différentes technologies PV, telles que les cellules solaires. Ces oxydes font non seulement partie de l'appareil, mais agissent également comme le principal matériau de collecte de lumière. Ils sont principalement appliqués en tant que couches barrières éliminant l'utilisation de semi-conducteurs organiques coûteux et instables, améliorant ainsi la durée de vie du dispositif. Les résultats obtenus à partir d'un bain d'acétate de cuivre et d'acétate de sodium avec une électrode de travail en acier inoxydable comme substrat ont montré que : La vitesse de balayage et la température influent considérablement sur la position du pic de réduction de l'oxyde cuivreux. Les meilleurs résultats ont été obtenus à 60°C pour une vitesse de balayage de 50 mV/s. L'effet du pH, le potentiel et le temps de dépôt sur les photo-réponses des nanostructures est important, il s'est avéré que les nanostructures déposées à un pH de 6.5 à un potentiel imposé de -150 mV/ECS pour un temps de dépôt de 60min, présentent une meilleure conductivité. Les résultats de mesure photo-courant obtenus dans les conditions décrits précédemment montre que les oxydes cuivreux déposés génèrent un photo-courant anodique, ce qui indique un comportement de semi-conducteur de type n. Les résultats obtenus à partir d'un bain composé de 3 M d'acide lactique et 0.4M de sulfate de cuivre sur une électrode en inox ont montré que : Les films qui présentent de meilleures propriétés ont été obtenus à 70°C, un pH de bain de déposition égale à 9, un potentiel et un temps de dépôt de -425mV/ECS et 30 minutes respectivement. Les oxydes cuivreux déposé à des pH supérieur à 8 génèrent un photo-courant cathodique ce comportement indique un semi-conducteur de type p. Une cellule solaire est essentiellement une jonction p-n. Cependant, l'association de Cu2O type p avec un autre oxyde cuivreux conducteur de type n permet la création de cellules photovoltaïques sous forme d'homo-jonctions p-n. Dans notre travail, un procédé de dépôt en deux étapes bien contrôlé est développé pour fabriquer des homojonctions p-n d'oxyde cuivreux. Les mesures de photo-courant réalisées ont montré que la mise en contact des deux couches n et p crée une jonction p-n de l'oxyde de cuivre. L'étude par diffraction des rayons X (DRX) a montré que les dépôts de Cu2O présentent une structure cubique poly-cristalline pure. Pour les deux types de couche minces de Cu2O n et p, des pics de diffraction distincts, correspondant aux plans(110), (111), (200), (220) et (311) ont été constaté.

Le pH de l'électrolyte est le facteur principal qui régule la croissance d'une direction cristallographique préférentielle dans le processus de dépôt où un pic de diffraction dominant de (200) apparaît pour le film p-Cu2O, tandis que pour le film n-Cu2O présente une orientation préférentielle de (111).