Hybrid functionals approach for the study of the properties of complex materials for photovoltaic applications - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2019

Hybrid functionals approach for the study of the properties of complex materials for photovoltaic applications

Étude des propriétés des matériaux complexes utilisés dans le domaine du photovoltaïque à partir de fonctionnelles hybrides

Abstract

Les propriétés électriques des semiconducteurs sont fortement influencées par le type de dopants et défauts insérés ou formés lors de leur synthèse. Dans le domaine du photovoltaïque, ces défauts vont fortement dégrader l’efficacité et la durabilité des cellules solaires. Dans ce contexte, les méthodes de simulation ab-initio, Hartree-Fock (HF) ou la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), sont pertinentes pour une compréhension de ces différents effets nécessaire à l’optimisation des matériaux. Cependant, l’obtention d’une bonne description des propriétés requiert l’utilisation d’approches sophistiquées, comme GW, coûteuses en temps de calcul. Ainsi, les approches pragmatiques basées sur les fonctionnelles hybrides, combinant HF et DFT, représentent une alternative intéressante. Dans un premier temps, des fonctionnelles hybrides ont été optimisées afin d’avoir une bonne description de l’énergie de bande interdite pour différents composés : Si, Ge, SiGe, les III-V et les chalcopyrites (CIGS). Les résultats obtenus avec cette approche semi-empirique ont été confrontés à ceux de la littérature et notamment à ceux obtenus au niveau GW. La description des propriétés électroniques est similaire à celle obtenue au niveau GW. L’évolution en température de différentes données thermodynamiques a aussi été abordée via l’approximation quasi-harmonique Pour celles-ci et les matériaux étudiés, les approches hybrides n’apportent pas d’amélioration par rapport aux fonctionnelles existante mais permettent une description cohérente des matériaux. Dans un second temps, ces fonctionnelles ont été utilisées pour réaliser une étude systématique de l’impact de la composition chimique sur les propriétés des CIGS pour des cellules solaires de type tandem. Tout d’abord, elles ont permis de déterminer les compositions, propriétés structurales et électroniques des CuGaxIn1-x(SySe1-y)2 avec des gaps donnés pour ce type d’application. Ensuite, l’effet de l’insertion des alcalins dans les CIGS a été abordé. L’accent a été porté sur la substitution du Cu par le Li, Na, K, Rb et Cs. Leur impact sur le gap a été interprété en terme d’évolution structurale et stabilité thermodynamique de différentes phases cristallines pouvant exister dans le matériau. Enfin, les défauts ponctuels de H, Fe et B dans le silicium ont été modélisés pour une étude concernant la dégradation induite par la lumière à haute température, un des mécanismes de vieillissement des cellules à base de silicium.
Electrical properties of semiconductors are strongly influenced by the types of dopants and defects inserted or formed during the synthesis of materials. In the field of photovoltaics, these defects leads to various metastabilities and can degrade the efficiency and durability of solar cells. In this context, ab-initio simulation methods, such as Hartree-Fock (HF) or the one implemented in the framework of density functional theory (DFT), are relevant to understand these behaviours and thus optimise the photovoltaic materials. However, a good qualitative and quantitative description of properties requires sophisticated but time consuming method like GW. An interesting alternative can be provided by hybrid functionals, which combine HF and DFT. Firstly, hybrid functionals were optimised in order to accurately described the band gap for different compounds by varying the percentage of HF exact-exchange in the exchange term of the PBE and PBEsol functionals from the GGA approximation of DFT. The materials investigated were Si, Ge, SiGe, III-V and chalcopyrites. Results obtained by this approach were confronted to the one from the literature. The description of the electronic properties matched the one from GW. Temperature evolution of various thermodynamic properties was calculated via the quasi-harmonic approximation. In this approximation and for the range of studied materials, optimised hybrid functionals do not bring an enhancement compared to existing functionals. Nevertheless, they bring a coherent description of the materials. Secondly, these optimised hybrid functionals were used to systematically describe the impact of chemical composition on chalcopyrite’s properties for tandem solar cells. First, they enable the determination the compositions, structural and electrical properties of CuGaxIn1-x(SySe1-y)2 for band gap specific to this kind of application. As alkali metals leads to major enhancement of chalcopyrite efficiency, the effect of their incorporation in chalcopyrite bulk was address. Highlight was put on the substitution of copper by Li, Na, K, Rb and Cs. Their impact on the band gap was interpreted via the structural evolution and the thermodynamique stability of the different crystallines phases that can exists within the material. Finally, H, Fe and B point defects in silicon were simulated for a preliminary study on the light and elevated temperature induced degradation which is one of the ageing process of the silicon solar cells.
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  • HAL Id : tel-02860746 , version 1

Cite

Fabien Lafond. Hybrid functionals approach for the study of the properties of complex materials for photovoltaic applications. Chemical Sciences. Université de Lorraine, 2019. English. ⟨NNT : 2019LORR0308⟩. ⟨tel-02860746⟩
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