Modeling and characterization of the properties of new solar absorbers II-IV-N₂ (II = Mg or Zn, IV = Ge or Sn)
Modélisations et caractérisations des propriétés de nouveaux absorbeurs solaires II-IV-N₂ (II = Mg ou Zn, IV = Ge ou Sn)
Résumé
To replace the massive use of polluting fossil fuels and to satisfy the growing energy needs of the world population, it is essential to develop and democratize the use of solar energy. In order to achieve this goal, new solar cells must be developed that combine high efficiency and low production costs with the use of environmentally friendly chemical elements. Nitride compounds of the II-IV-N₂ family are potential candidates since they are made of non-toxic and abundant elements (zinc, tin, magnesium, etc...). The growth of these materials was carried out in an ultra-high vacuum equipment, unique in Europe, which guarantee an excellent chemical quality of the materials. The research are focused on three ternary compounds which are ZnSnN₂, ZnGeN₂ and MgSnN₂ deposited by reactive magnetron sputtering. First of all, the effect of substrate bias has been studied during the growth of ZnSnN₂ films in order to decrease the oxygen contamination and improve the properties. Then, the growth of ZnGeN₂ at different substrate temperatures revealed differences in local compositions and structures due to zinc evaporation at high temperatures. Finally, the growth of a new compound: MgSnN₂ has been performed at different temperatures. In this study, the structure and the chemical environment of tin atoms were characterized with new techniques. Its properties are intermediate between the compounds derived from zinc, such as the band gap energy. The second specificity of this work is the understanding of the macroscopic phenomena by ab initio calculations of the electronic and optical properties. The theoretical predictions were then compared with the experimental results and showed a good agreement with the measured properties. This work provides new knowledge, which completes the previous studies and nuances those reported in the literature.
Pour trouver des solutions alternatives à l'utilisation massive des combustibles fossiles et pour satisfaire les besoins énergétiques croissants de la population mondiale, il est indispensable de développer et de démocratiser l’emploi de l’énergie solaire. Dans cet objectif, il convient d’élaborer de nouvelles cellules solaires combinant à la fois une efficacité élevée, un faible coût de production tout en utilisant des éléments chimiques respectueux de l’environnement. Les composés de la famille II-IV-N₂ sont de potentiels candidats puisqu’ils sont constitués d'éléments non toxiques et abondants (zinc, étain, magnésium, etc…). La croissance de ces matériaux du futur a été réalisée dans un équipement, sous ultravide, unique en Europe, nous permettant de garantir une excellente qualité chimique des matériaux. La recherche s’est focalisée sur trois composés ternaires qui sont ZnSnN₂, ZnGeN₂ et MgSnN₂ déposés par co-pulvérisation magnétron réactive. Tout d’abord, l’effet de la polarisation du substrat pendant la croissance des films de ZnSnN₂ a été étudié afin de diminuer la contamination par l’oxygène et d’améliorer les propriétés. Puis la croissance de ZnGeN₂ à différentes températures a mis en lumière des différences de compositions et de structures locales dues à l’évaporation du zinc à des températures élevées. Enfin, la croissance d’un nouveau composé MgSnN₂ a été réalisée à différentes températures de dépôt. L’étude a permis de caractériser avec de nouvelles techniques la structure et l’environnement chimique des atomes d’étain. Ses propriétés sont intermédiaires entre les différents composés à base de zinc comme notamment l’énergie de bande interdite. La seconde spécificité de ces travaux est la compréhension des phénomènes macroscopiques mis en jeu par la modélisation ab initio des propriétés électroniques et optiques. Les prédictions théoriques ont ensuite été confrontées aux résultats expérimentaux et ont montré un bon accord avec les propriétés mesurées. Ces travaux apportent des nouvelles connaissances qui viennent compléter les études précédentes et permettent de nuancer celles rapportées dans la littérature.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|