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Élaboration de couches minces de ZnO:V transparentes conductrices à basse pression et à pression atmosphérique pour applications photovoltaïques.

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Bensekhria, Ahmed Abderrahim (2020). Élaboration de couches minces de ZnO:V transparentes conductrices à basse pression et à pression atmosphérique pour applications photovoltaïques. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 119 p.

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Résumé

L’oxyde de zinc dopé vanadium est un prometteur oxyde transparent conducteur OTC qui peut se substituer à l’oxyde d'étain indium, ce dernier est actuellement le plus utilisé dans l’industrie photovoltaïque, un matériau très performant pour les électrodes transparentes, mais son cout d’élaboration et sa rareté ont accéléré la recherche de son remplaçant. La plupart des procédés d’élaboration de couches minces fonctionnent à basse pression, ce qui implique un temps d’attente très important pour la mise sous vide et des couts d’installations très élevés. Le dépôt par ablation laser PLD est la technique sous vide la plus connue pour élaborer des couches de haute qualité cristalline. Récemment, des systèmes plasmas hors équilibre à pression atmosphérique ont été conçus et exploités pour l’élaboration de couches minces. Nombreux sont les défis qui se présentent dans la voie de l’industrialisation de ces procédés ; la maitrise des paramètres du dépôt, la stabilité du processus et l’homogénéité de dépôt. Cette maitrise vise dans un premier temps l’optimisation des conditions de réalisation des couches minces de ZnO:V par PLD. Plusieurs paramètres ont été étudiés ; la concentration de vanadium dans la cible métallique de zinc, la fluence du laser, la pression de l’oxygène et la température du substrat dans l’optique d’avoir des couches denses avec une bonne transmission dans le domaine du visible et une meilleure conductivité électrique. Aux conditions optimales, La transmission optique dans le visible est de l’ordre de 80% et la résistivité électrique est proche de 10⁻⁴ Ohm·cm. Dans un deuxième temps, Un procédé innovant de dépôt contrôlé par barrière diélectrique fonctionnant à pression atmosphérique a été conçu. L’innovation dans ce procédé se caractérise par la séparation du dépôt en deux zones. Le procédé ne fait pas recours aux liquides, ce qui le rend totalement un dépôt par voie physique. Le défi dans cette approche est d’avoir un taux de pulvérisation très élevé tout en assurant un dépôt homogène. En raison de la pandémie de COVID-19, le travail expérimental n’a pas été effectué dans sa totalité, Une étude d’un modèle 1D de simulation basé sur nos conditions expérimentales a eu lieu. Cette dernière s’est inscrit e dans la même optique, avoir une meilleure compréhension de la physique des décharges homogènes et luminescentes utilisées dans le procédé du dépôt. Les simulations montrent que la configuration optimale dans la zone de pulvérisation est la configuration double fréquence RF-5MHz+BF-50kHz polarisée avec une forte tension BF. Dans la zone de dépôt, l’ajout d’une polarisation BF-5 kHz à la décharge 50 kHz augmente légèrement le flux ionique à la cathode et ne modifie pas les caractéristiques de la décharge 50kHz.

Vanadium doped ZnO (ZnO:V) is a promising transparent conductor oxide material (TCO). Up to now, the Indium tin oxide ITO is the most wildly used TCO in many applications, but there are ongoing global pushes to replace it because of sustainability (Indium is a rare material) and price concerns. Production costs are not limited to the used materials, their manufacturing costs are becomin g very large and they also must be optimized, most of them are operating under vacuum. The pulsed laser deposition PLD is by far the most sophisticated low pressure method, popular for the deposition of oxide semiconductors. Recently, Atmospheric Pressure Glow Discharges (APGD) have recently attracted much attention, pushed by their potential to rival low -pressure glow discharges and their facilitation of different applications through the replacement of indispensable vacuum systems. The aim of this master thesis is twofold. Firstly, the optimization of vanadium doped zinc oxide ZnO:V film properties deposited at low pressure for photovoltaic application. Thin films of ZnO:V were deposited by PLD under a variety of growth conditions, the vanadium concentration in the Zn metallic target, the oxygen pressure, the laser fluence, and the substrate temperature were varied to optimize the growth conditions for a higher electric conductivity and a high transmission in the visible region ac cording to the device demand. At optimal conditions, the film shows very low resistivity ≈4x10⁻⁴ Ohm·cm and very high optical transmittance in the visible region 80%. Secondly, The optimization of the deposition process for low -temperature growth of ZnO:V on large area at atmospheri c pressure. Another challenge for ZnO:V at these conditions is the deposition uniformity., For that, a novel method of deposition at atmospheric pressure using a dielectric barrier discharge DBD was used, a totally physical method without using liquids or precursors. The challenge in this work is to find the best frequencies combination to get a high sputtering rate of the ZnO:V nanoparticles target and a good deposition uniformity. Experiments couldn’t be accomplished as there were expected due to the rec ent events regarding COVID-19. A computational study took place and we are able to investigate different DBD configurations with the aim to find a compromise between the power injected and the ion flux to the target, which is a key parameter for a high deposition rate. The optimal configuration in the pulverization zone was found to be the dual frequency discharge RF-5MHz+LF50kHz biased with a high LF voltage (>600 V). In the deposition zone, adding the LF-5kHz polarization to the BF-50kHz discharge enhances slightly the ion flux to the cathode and it doesn’t change the BF -50kHz behavior.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Mots-clés libres: oxyde transparent conducteur OTC; oxyde de zinc dopé vanadium ZnO:V; décharge à barrière diélectrique DBD; décharge homogène luminescente à pression atmosphérique APGD; dépôt par Laser pulsé PLD; pulsation laser deposition PLD; dielectric barrier discharge DBD; atmospheric pressure glow discharges (APGD); transparent conductor oxide TCO; vanadium doped ZnO
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 20 janv. 2021 19:34
Dernière modification: 29 sept. 2021 17:50
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/11158

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