Couche d'accrochage AgO_X améliorant les électrodes oxyde/métal/oxyde pour cellules solaires CIGS à haut rendement

Résumé

Les empilements oxyde/métal/oxyde (OMO) remplacent les oxydes conducteurs transparents (TCO) comme contact avant des cellules solaires à couches minces. Ces structures multicouches réduisent l'épaisseur totale et permettent la coloration par effets d'interférence. Toutefois, la résistance de surface et l'absorption parasite, fortement dépendantes de la couche métallique, doivent être réduites pour atteindre des rendements plus élevés. Cette publication applique des couches d'accrochage AgO_X aux électrodes OMO pour améliorer les cellules CIGS (Cu(In,Ga)Se₂). Une couche d'accrochage AgO_X augmente efficacement la transmission et la conductivité de l'électrode multicouche. Avec cette approche, la densité de courant de court-circuit est améliorée de 18 % (28,8 → 33,9 mA/cm²) avec une épaisseur de film métallique (Ag) aussi faible que 6 nm. Les électrodes OMO peuvent ainsi remplacer efficacement les TCO conventionnels (ZnO:Al) sur cellules à couches minces.

Introduction

Les électrodes OMO substituent les TCO (ITO, ZnO:Al) dans diodes électroluminescentes, écrans, panneaux tactiles, modules photovoltaïques. Leurs atouts : temps de dépôt court, flexibilité mécanique supérieure, coût réduit, caractéristiques optiques/électriques équivalentes ou supérieures. Déjà démontré sur cellules a-Si:H. Température de dépôt basse → compatibles photovoltaïque organique et substrats polymères.

Les OMO agissent comme cavités optiques par interférences aux interfaces. Cela permet un pic de transmission large et élevé malgré la couche métallique réfléchissante. Un métal à faible indice de réfraction (haute réflectivité) augmente la finesse de la cavité et la transmission en résonance. Positions spectrales des pics = épaisseur optique couches d'oxyde ; conductivité = couche métallique. Découplage optique/électrique = conception sur mesure pour différents absorbeurs photovoltaïques, et multifonctionnalité (coloration modules PV). Application précédente sur CIGS pour intégration au bâti. Défi majeur : dépôt couche métallique ultra-fine (<15 nm) sandwichée. Ag utilisé (résistivité la plus faible). Idéalement film Ag le plus fin possible pour transmission maximale. Mais déliquescence Ag → croissance îlots Volmer-Weber 3D sous seuil percolation d_pt ~10 nm. Transmittance limitée par absorption/diffusion plasmons de surface aux agrégats. Résistivité augmentée. Au-dessus d_pt, film continu → résistivité chute, pic transmission monte, puis redescend si trop épais. d_pt lié aux énergies libres de surface. Stratégies pour réduire d_pt : alliages, gaz lors dépôt, couches d'accrochage (Ge, AgO_X, Cu). Ge meilleure mouillabilité mais fortes pertes optiques. AgO_X prometteur : Zhao et al. d_pt 6 nm (avec AgO_X) vs 8 nm (sans) sur OMO ; Jo et Wang résultats comparables avec film AgO_X complet. Avantage AgO_X : dépôt facile en ajoutant O₂ gaz réactif. Couche d'accrochage (WL) AgO_X préférable à film complet AgO_X (indice réfraction plus haut → finesse cavité réduite). Bien que OMO utilisés sur CIGS, effet WL sur OMO/CIGS non étudié. Cette publication démontre l'impact d'une WL AgO_X sur OMO comme électrode avant transparente de cellules CIGS : photocourant et rendement significativement augmentés vs OMO conventionnel.

Matériaux et méthodes

Électrodes OMO de référence : pulvérisation cathodique DC magnétron à température ambiante. Couches AZO fond (20 nm, 0 sccm O₂) et sommet (63 nm, 5 sccm O₂). Électrodes OWLMO (oxyde/couche-accrochage/métal/oxyde) : dépôt additionnel WL AgO_X après premier oxyde par pulvérisation Ag avec 45 sccm Ar + 10 sccm O₂ à 0,8 Pa, 200 W, 1 s. Taux dépôt AgO_X ≈ ou légèrement < Ag pur (pulvérisation réactive). Épaisseur WL estimée 1 nm ; WL + ex. 6 nm Ag pur = épaisseur totale 7 nm. Taux dépôt mesurés profilomètre Veeco Dektak 150 : Ag 1,03±0,08 nm/s ; AZO 0 sccm 1,41±0,02 nm/s ; AZO 5 sccm 1,38±0,01 nm/s. Cellules CIGS : procédés Cd-libres AVANCIS (rendement apertura jusqu'à 19 % sur mini-modules). Modification pour contact avant alternatif : épaisseur AZO standard réduite ~200 nm (interface optimisée conservée, stabilité/protection transport, reproductibilité). Échantillons 2,5×2,5 cm², 9 cellules 0,25 cm² par scribing mécanique. Spectres réflexion : UV-VIS Cary 5000 + sphère intégrante. Résistance de surface : sonde 4 points Jandel RM3-AR (médiane sur 15-20 mesures, CIGS fragile). Caractéristiques I-V : simulateur solaire WACOM double lampe (STC AM1.5G, 1000 W/m², 25 °C), erreur relative rendement 1,13 %. EQE : système RR-2100 (LOT Oriel).

Résultats et discussion

Performance électrique (Fig. 2) : résistance de surface échantillons avec (OWLMO) et sans (OMO) WL. Avant dépôt OMO : 56±3 Ω/□ (contact avant partiel CIGS). Résistance chute avec épaisseur Ag pour OMO et OWLMO, mais OWLMO nettement plus bas. Comparaison résistivité constante (pointillés) : seule OWLMO suit tendance attendue. OMO : résistance monte fortement pour Ag <8 nm → film non fermé (croissance îlots Volmer-Weber). WL AgO_X supprime cette déliquescence. OWLMO : résistivité quasi constante ~8,2 µΩ·cm pour toutes épaisseurs → haut degré couverture même à 6 nm (WL+Ag). Résistance 13,9 (10,3) Ω/□ pour 6 (8) nm WL+Ag, accord avec Zhao et al. (12,5 Ω/□ sur PET). Sur CIGS, Kang et al. 104 Ω/□ meilleur OMO Cu-Mo. Marge progression : Ag bulk 1,6 µΩ·cm.

Caractéristiques JV (Fig. 3) : échantillons WL → densité courant augmentée jusqu'à 5 mA/cm² vs OMO référence. Courant diminue avec épaisseur Ag pour OWLMO ; constant 6–8 nm pour OMO. Fig. 4 : J_SC vs épaisseur confirme tendance, pas d'impact clair sur V_OC ou FF. Baisse J_SC avec épaisseur Ag attendue (réflexion accrue). Petite surface cellules (0,25 cm²) → pas d'impact significatif résistance surface sur J_SC.

EQE et réflectance (Fig. 5) : OWLMO et OMO bien distincts. WL améliore EQE jusqu'à 17 % (400–1200 nm). Légère baisse réflexion ~2 % à 710 nm, insuffisante pour expliquer gain EQE. Réflexion et EQE augmentent >800 nm avec WL → transmittance OWLMO améliorée par absorption réduite dans couche Ag. J_SC calculé EQE intégré accord avec mesures JV (Tableau 1).

Analyse OMO sans WL (Fig. 4, 5) : J_SC constant vs épaisseur Ag car baisse EQE grandes longueurs d'onde compensée par hausse courtes longueurs (visible). Qualité effective couche Ag améliorée avec épaisseur (couverture/réflexivité accrues) → finesse cavité optique OMO augmentée, accordée pour transmittance visible. Réflexivité OMO >800 nm augmente avec épaisseur Ag → EQE réduit domaine spectral.

OWLMO : effet réflexion accrue >800 nm encore plus marqué. Comparaison OWLMO vs OMO : augmentation réflexion >800 nm ET réduction absorption 400–1200 nm → morphologie Ag plus favorable grâce WL.

Pertes recombination non-radiative et absorption parasite (Fig. 6) : WL réduit absorption parasite contact avant. Attribué à homogénéité/couverture améliorées, seuil percolation et rugosité diminués → absorption moindre (accord littérature autres substrats).

Malgré amélioration contact avant OMO, rendement ~13 % < état de l'art CIGS Avancis 19 %. Mais OMO influence principalement génération courant → comparaison J_SC plus pertinente. 34 mA/cm² cette étude vs 36,3 mA/cm² littérature → compétitivité technologie OMO même avant optimisation pile complète.

Conclusion

Couches d'accrochage AgO_X étudiées sur contacts avant OMO cellules CIGS pour améliorer J_SC et rendement global. Baisse résistance surface 22,71 → 13,89 Ω/□ et hausse J_SC 28,8 → 33,9 mA/cm² pour épaisseur Ag 6 nm. Résultats indiquent abaissement significatif seuil percolation films Ag grâce WL → absorption parasite électrode réduite. Amélioration qualité film Ag (transmission et conductivité accrues) en accord avec littérature. Conclusion : WL implémentée avec succès pour électrodes OMO sur cellules CIGS couches minces. WL = ajout précieux pour améliorer contacts OMO applications solaires.