Nasr-Eddine HAMDADOU et Mohamed BOUHMIDI

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1 Nasr-Eddine HAMDADOU et Mohamed BOUHMIDI
ETUDE STRUCTURALE DES COUCHES MINCES DE LA PYRITE FeS2 POUR LES APPLICATIONS PHOTOVOLTAIQUES Nasr-Eddine HAMDADOU et Mohamed BOUHMIDI Laboratoire de Micro et de Nanophysique (LaMiN), Ecole Nationale Polytechnique d’Oran (ENPO), BP El Mnaouer Oran 31000, ALGERIE Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

2 Plan de l’exposé I- Introduction
II- Elaboration des couches minces de FeS2 III- Caractérisation des couches minces de FeS2 III.1- Analyse par la diffraction des rayons X III.2- Etudes quantitatives par XPS et microanalyse III.3- Analyse qualitative par l’XPS III.4- Visualisation au MEB IV- Conclusion et perspectives Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

3 I- Introduction Les matériaux du type pyrite sont les disulfures des métaux de transition : MS2 avec M = Fe, Mo, W, Zn, Co, Ni, Cu. La pyrite FeS2 (du mot grec        de sens pierre de feu), est le sulfure minéral le plus abondant dans la nature, il est de couleur jaune dorée. Le composé FeS2 peut cristalliser dans deux structures, cubique et orthorhombique (la marcassite) . Son rendement quantique élevé ( 90 %), son coefficient d’absorption optique élevé (  105 cm-1 pour hv  1.3 eV). La non toxicité et l’abondance naturelle de ses constituants (ie : Fe et S) représentent des atouts supplémentaires servant la présentation de la pyrite comme matériau photovoltaïque préservant l’environnement. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010

4 - Structure d’une cellule photovoltaïque en couches minces
La largeur de la bande interdite de la pyrite (FeS2) est de l’ordre de 1eV, ainsi ce matériau peut faire l’objet de plusieurs applications optoélectroniques. En couche mince son utilisation comme couche absorbante dans une cellule photovoltaïque, est envisageable. Contact métallique Al/NiCr/Al Fil en cuivre Couche d’ OTC Couche Tampon Couche Absorbante Couche de Mo Substrat en verre - Structure d’une cellule photovoltaïque en couches minces Dans ce travail un procédé simple est utilisé pour l’élaboration des couches minces de la pyrite (FeS2) polycristallines sur des substrats de verre. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

5 II- Elaboration des couches minces de FeS2
L’élaboration de la couche mince de FeS2, s’est faite en trois étapes: Première étape : - Dépôt d’une couche de Fe, sur substrat de verre nettoyé préalablement, par évaporation sous vide (10-7mbar) à l’aide d’un canon à électrons. - L’épaisseur de la couche e = 800 A°, la vitesse de dépôt Φ = 2 A°/s, contrôlées par une balance à quartz. Deuxième étape : - La couches mince de Fe est placée, dans un tube en Pyrex, scellé sous vide (10-5 mbar). - Quelques grains de S (~ 30mg) sont introduits dans le tube avant scellage. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

6 - Enceinte d’évaporation
Palette Huile Rotor Stator Soupape Vanne primaire-enceinte Chauffage Tuyères Serpentin de refroidissement secondaire-enceinte Alimentation du creuset Balance à quartz Creuset Substrats Porte substrats Déflecteur Lampe I. R. Enceinte à vide Pastille à quartz Jauge à vide primaire-secondaire Pompe à diffusion Pompe à palettes - Enceinte d’évaporation Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

7 se fait qu’à l’issu du refroidissement complet du four.
Troisième étape : - Traitement thermique du tube scellé dans un four tubulaire, à Ta = 823 K pendant ta = 6 h. - Le temps de montée en température est de 45 minutes, et le retrait du tube ne se fait qu’à l’issu du refroidissement complet du four. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010

8 III- Caractérisation des couches minces de FeS2
III.1- Analyse par la diffraction des rayons X Les couches possèdent une seule phase et les pics correspondent à la structure cubique (pyrite FeS2) (JCPDS N° ). La constante du réseau calculée: a= 5.42A°, à l’aide de la relation: Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

9 III.2- Etudes quantitatives par XPS et microanalyse
Les résultats de l’analyse quantitative par XPS et ceux de la microanalyse montrent que les couches sont stoichiométriques. Cependant un excès de soufre en surface est détecté. Concentration atomique (%) Fe S Poudre de référence 33 * 67 * Couche mince de FeS2 obtenue après traitement thermique : Ta= 823K, ta= 6h 14 32.5 * 86 67.5 * La même couche mince après traitement thermique sous vide dynamique : Ta=330K, ta=3h 31 69 Résultats quantitatifs des couches minces de FeS2 obtenus par la microanalyse (*) et l’XPS. . Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010

10 Après décapage les formes des raies S2p sont modifiées.
La forme caractéristique de la raie S2p (fig. a) atteste de la bonne qualité des couches. Pour le fer un doublet : Fe2p1/2 et Fe2p3/2 apparaît bien résolu (fig. b). Après décapage les formes des raies S2p sont modifiées. b a - Les raies XPS des couches de FeS2 avant (0 min) et après 1 min de décapage : a) S2p. b) Fe2p. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010

11 III.4- Visualisation au MEB
La couche est polycristalline . Les grains sont répartis d’une manière uniforme. La taille des grains varie de nm. b a c 1 μm 100 nm Une bonne adhérence couche mince-substrat est constatée. L’épaisseur des couches minces est e = 220 nm. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010

12 IV- Conclusion et perspectives
La technique de sulfurisation d’une couche mince de Fe dans un tube scellé sous vide, s’est révélée comme un procédé simple et moins couteux, permettant l’élaboration des couches minces de la pyrite FeS2. Les couches minces de FeS2 élaborées sont homogènes, stoichiométriques et présentent de bonnes qualités structurales. Le procédé est reproductible. La suite de ce travail doit s’orienter vers l’étude des propriétés électriques et optiques avant d’envisager l`application de ses couches dans le domaine photovoltaïque. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran

13 Merci pour votre attention
Pr HAMDADOU Nasr-Eddine Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM7) Beyrouth, Liban Mai 2010 Conférence Nationale sur l'Ingénierie de l'Electronique; CNIE'04; Novembre 2004; USTO Oran