FR2981592A1 - PROCESS FOR THE MANUFACTURE BY MECANOSYNTHESIS OF A CZTS POWDER, ITS USE FOR FORMING A THIN LAYER - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication par mécanosynthèse d'une poudre du composé Cu ZnSnS , le procédé comprenant une étape dans laquelle on réalise un broyage d'un mélange contenant : - les éléments chimiques Sn et S sous forme élémentaire ; - les précurseurs ZnS et Cu Sn ; le mélange contenant Cu, Zn, Sn et S selon les proportions stoechiométriques dans lesquelles ils se trouvent dans le composé Cu ZnSnS . L'invention concerne également l'utilisation du procédé pour réaliser une couche mince, entrant en particulier dans la composition d'une cellule photovoltaïque.A method of manufacturing by mechanosynthesis of a powder of the compound Cu ZnSnS, the process comprising a step in which a grinding is carried out of a mixture containing: the chemical elements Sn and S in elemental form; the ZnS and Cu Sn precursors; the mixture containing Cu, Zn, Sn and S according to the stoichiometric proportions in which they are in the Cu ZnSnS compound. The invention also relates to the use of the method for producing a thin layer, particularly for the composition of a photovoltaic cell.

Description

-1- PROCEDE DE FABRICATION PAR MECANOSYNTHESE D'UNE POUDRE DE CZTS, SON UTILISATION POUR FORMER UNE COUCHE MINCE. DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se situe dans le domaine des cellules photovoltaïques à base de couche mince. Elle concerne en particulier un procédé de fabrication par mécanosynthèse d'une poudre du composé Cu2ZnSnS4, et son utilisation pour fabriquer une couche mince. ETAT DE LA TECHNIQUE L'épuisement des combustibles fossiles incite à développer les énergies renouvelables. Parmi ces énergies, la production d'électricité par la conversion de la lumière du soleil est une voie prometteuse. Cette conversion nécessite l'utilisation de cellules photovoltaïques qui sont composées d'un matériau semi- conducteur, généralement le silicium. Néanmoins, depuis quelques années, apparaît une nouvelle génération de cellules photovoltaïques à base de couche mince ne comportant pas de silicium. Ces cellules ont notamment pour avantages de présenter un faible coût de fabrication, tout en offrant un rendement acceptable, des performances sur le long terme et une structure légère et flexible permettant leur mise en oeuvre dans un grand nombre de configurations. Les couches minces composant ces nouvelles cellules photovoltaïques sont par exemple à base de CdTe (tellure de cadmium), CuIn0,2Ga0,2Se (CIGS) ou Cu2ZnSnS4 (CZTS). Parmi ces -2- composés, le Cu2ZnSnS4 est particulièrement intéressant car il ne présente ni la toxicité du CdTe ni le coût élevé du CuIn0,7Ga0,3Se. Le composé Cu2ZnSnS4 peut être déposé sous forme de couches minces à l'aide de procédés sous vide ou par voie liquide. La mise en oeuvre de ces procédés de dépôt de couches minces nécessite le plus souvent de disposer du Cu2ZnSnS4 sous forme d'une poudre, éventuellement mise sous forme massive suite à une opération de frittage ou de fusion. Or, la présence dans une telle poudre de phases secondaires constituant des impuretés doit être évitée au mieux afin d'optimiser les performances des cellules photovoltaïques à base de couches minces constituées de Cu2ZnSnS4. Par ailleurs, il convient également d'éviter d'obtenir une poudre de Cu2ZnSnS4 dont la taille moyenne des grains (et/ou des cristallites) est trop importante afin de ne pas dégrader la qualité de la couche mince réalisée à partir de cette poudre, en particulier lorsque le dépôt de la couche mince est réalisé par voie liquide. EXPOSE DE L'INVENTION Un des buts de l'invention est donc d'éviter ou d'atténuer les inconvénients décrits ci-dessus, en proposant un procédé permettant en particulier de fabriquer une poudre de Cu2ZnSnS4 présentant un bon degré de pureté. La présente invention concerne ainsi un procédé de fabrication par mécanosynthèse d'une poudre du composé Cu2ZnSnS4, le procédé comprenant une étape dans laquelle on réalise un broyage d'un mélange contenant : - les éléments chimiques Sn et S sous forme élémentaire ; -3- les précurseurs ZnS et Cu3Sn ; le mélange contenant Cu, Zn, Sn et S selon les proportions stoechiométriques dans lesquelles ils se trouvent dans le composé Cu2ZnSnS4. A PROCESS FOR THE MANUFACTURING BY MECANOSYNTHESIS OF A CZTS POWDER, ITS USE TO FORM A THIN LAYER TECHNICAL FIELD The present invention is in the field of photovoltaic cells based on a thin layer. It relates in particular to a method of manufacturing by mechanosynthesis of a powder of the compound Cu2ZnSnS4, and its use to make a thin layer. STATE OF THE ART The depletion of fossil fuels encourages the development of renewable energies. Among these energies, the production of electricity by the conversion of sunlight is a promising way. This conversion requires the use of photovoltaic cells which are composed of a semiconductor material, generally silicon. Nevertheless, in recent years, a new generation of thin-film-based photovoltaic cells does not include silicon. These cells have the particular advantages of having a low manufacturing cost, while offering acceptable performance, long-term performance and a light and flexible structure for their implementation in a large number of configurations. The thin layers composing these new photovoltaic cells are for example based on CdTe (cadmium telluride), CuIn0,2Ga0,2Se (CIGS) or Cu2ZnSnS4 (CZTS). Among these compounds, Cu 2 ZnSnS 4 is particularly interesting because it exhibits neither the toxicity of CdTe nor the high cost of CuIn0.7Ga0.3Se. The compound Cu 2 ZnSnS 4 can be deposited in the form of thin layers by vacuum or liquid methods. The implementation of these thin film deposition processes most often requires the Cu2ZnSnS4 to be available in the form of a powder, possibly in solid form following a sintering or melting operation. However, the presence in such a powder of secondary phases constituting impurities must be best avoided in order to optimize the performance of photovoltaic cells based on thin layers made of Cu 2 ZnSnS 4. Furthermore, it should also avoid obtaining a Cu2ZnSnS4 powder whose average grain size (and / or crystallites) is too large in order not to degrade the quality of the thin layer made from this powder, in particular when the deposition of the thin layer is carried out by a liquid route. SUMMARY OF THE INVENTION One of the aims of the invention is therefore to avoid or mitigate the disadvantages described above, by proposing a process which makes it possible in particular to manufacture a Cu 2 ZnSnS 4 powder having a good degree of purity. The present invention thus relates to a method of manufacturing by mechanosynthesis of a powder of the compound Cu2ZnSnS4, the process comprising a step in which a grinding is carried out of a mixture containing: the chemical elements Sn and S in elemental form; The ZnS and Cu3Sn precursors; the mixture containing Cu, Zn, Sn and S in the stoichiometric proportions in which they are in the compound Cu2ZnSnS4.

Le procédé de fabrication de l'invention se caractérise notamment par la présence de ZnS et Cu3Sn dans le mélange à broyer. L'utilisation de ces précurseurs permet d'obtenir une poudre de Cu2ZnSnS4 présentant un bon degré de pureté, sans que cela ne nécessite la mise en oeuvre d'une étape supplémentaire de recuit qui aurait pour inconvénient d'augmenter la taille moyenne des grains (et/ou des cristallites) de la poudre de Cu2ZnSnS4. L'invention concerne également l'utilisation du procédé de fabrication pour réaliser une couche mince, qui 15 entre par exemple dans la composition d'une cellule photovoltaïque. On peut réaliser la couche mince à l'aide d'un procédé de dépôt sous vide tel que par exemple la pulvérisation cathodique ou l'évaporation ; ou un procédé de dépôt par 20 voie liquide tel que par exemple la sérigraphie (« screen- printing »), le dépôt à la tournette (« spin coating ») ou le coulage en bande (« tape casting »). EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION 25 Afin de réaliser la poudre de Cu2ZnSnS4 à l'aide du procédé de fabrication de l'invention, on broie un mélange contenant les éléments chimiques Sn et S, et les précurseurs ZnS et Cu3Sn, afin de réaliser une mécanosynthèse. Les éléments chimiques Sn et S sont sous forme 30 élémentaire, c'est à dire à l'état pur ou pratiquement pur (c'est à dire typiquement pur à plus de 99 %). Ces éléments chimiques, ou les précurseurs ZnS ou Cu3Sn peuvent se présenter, indépendamment les uns des -4- autres, sous forme de poudre ou de pépite, étant entendu que la pépite est transformée en poudre au cours du broyage. Par exemple, lorsqu'ils se présentent sous forme de poudre, les éléments chimiques Sn, S, les précurseurs ZnS et/ou Cu3Sn ont des grains d'une taille moyenne comprise entre 100 nm et 3 mm, mesurée par exemple à l'aide d'un granulomètre laser en voie sèche ou liquide. Concernant la mécanosynthèse, appelée également broyage haute énergie (ou « High energy ball milling » selon le terme anglais), il s'agit d'un procédé de synthèse d'alliage bien connu de l'homme du métier. Il est décrit par exemple dans le document « Nanomatériaux - Structure et élaboration, Paul Costa, Techniques de l'ingénieur, référence NM 3 010, chapitre 3.3 ». The manufacturing process of the invention is characterized in particular by the presence of ZnS and Cu3Sn in the mixture to be ground. The use of these precursors makes it possible to obtain a powder of Cu 2 ZnSnS 4 having a good degree of purity, without this requiring the implementation of an additional annealing step which would have the disadvantage of increasing the average grain size ( and / or crystallites) of Cu2ZnSnS4 powder. The invention also relates to the use of the manufacturing method for producing a thin layer, which enters for example into the composition of a photovoltaic cell. The thin layer can be produced by means of a vacuum deposition process such as, for example, sputtering or evaporation; or a liquid deposition process such as, for example, screen printing, spin coating or tape casting. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In order to produce the Cu 2 ZnSnS 4 powder using the manufacturing method of the invention, a mixture containing the Sn and S chemical elements and the ZnS and Cu 3 Sn precursors is milled in order to produce a mechanical alloying. The chemical elements Sn and S are in elemental form, that is to say in the pure state or practically pure (ie typically more than 99% pure). These chemical elements, or the ZnS or Cu3Sn precursors may be independently of one another in the form of a powder or nugget, it being understood that the nugget is converted to powder during grinding. For example, when they are in the form of a powder, the chemical elements Sn, S, the precursors ZnS and / or Cu3Sn have grains with an average size of between 100 nm and 3 mm, for example measured using a laser granulometer in the dry or liquid process. Regarding mechanosynthesis, also called high energy milling (or "high energy ball milling"), it is an alloy synthesis process well known to those skilled in the art. It is described for example in the document "Nanomaterials - Structure and Development, Paul Costa, Engineering Techniques, reference NM 3.010, chapter 3.3".

La mécanosynthèse consiste essentiellement à utiliser l'énergie mécanique issue du broyage pour induire des réactions chimiques entre les composants du mélange à broyer. Ces réactions se produisent généralement à basse température. La mécanosynthèse peut donc être menée sans apport d'énergie thermique. En pratique, la mécanosynthèse consiste à agiter violemment le mélange pour effectuer un broyage en présence d'un ou plusieurs corps mobile(s) tel(s) que par exemple une bille ou un boulet. Mechanosynthesis essentially consists in using the mechanical energy resulting from grinding to induce chemical reactions between the components of the mixture to be ground. These reactions usually occur at low temperatures. Mechanosynthesis can therefore be carried out without the addition of thermal energy. In practice, the mechanosynthesis consists of violently stirring the mixture to effect grinding in the presence of one or more movable bodies such as for example a ball or a ball.

Les corps mobiles sont généralement composés d'un matériau dense et de haute dureté (carbure de tungstène, acier, ...). L'agitation des corps mobiles peut être réalisée à l'aide de différents moyens qui varient selon le type de broyeur utilisé. Le broyage du mélange peut ainsi être réalisé à l'aide d'un broyeur classiquement utilisé pour réaliser une mécanosynthèse, par exemple choisi parmi un broyeur à vibrations verticales, un broyeur à boulets, un broyeur planétaire ou un attriteur. -5- Sous l'action du broyage, les constituants du mélange à broyer subissent les chocs se produisant entre les corps mobiles se déplaçant à grande vitesse, ou entre ces corps mobiles et les parois de la cuve. The moving bodies are generally composed of a dense material and of high hardness (tungsten carbide, steel, ...). The stirring of the moving bodies can be carried out using different means which vary according to the type of mill used. The grinding of the mixture can thus be carried out using a grinder conventionally used to carry out a mechanosynthesis, for example chosen from a vertical vibration mill, a ball mill, a planetary mill or an attritor. Under the action of grinding, the constituents of the mixture to be ground undergo shocks occurring between the moving bodies moving at high speed, or between these movable bodies and the walls of the tank.

La fréquence et la puissance des chocs influent sur l'intensité et la puissance du broyage, et peuvent être accentuées en augmentant la taille ou le nombre de corps mobiles, l'intensité d'agitation, ou en diminuant la quantité de poudre à broyer. The frequency and power of the shocks affect the intensity and power of the grinding, and can be increased by increasing the size or number of moving bodies, stirring intensity, or decreasing the amount of powder to be milled.

Il est toutefois à noter que l'homme du métier peut opérer dans une large gamme d'intensité et de puissance de broyage afin de réaliser l'étape de mécanosynthèse. La durée de broyage influe également sur la mécanosynthèse. Bien que cela dépende des conditions de broyage, la durée du broyage est généralement d'au moins 24 heures, par exemple comprise entre 24 heures et 144 heures, de préférence entre 72 heures et 120 heures. Le broyage peut être réalisé sous vide ou dans une atmosphère chimiquement inerte, en particulier vis-à-vis des constituants du mélange et du composé Cu2ZnSnS4 afin d'en limiter l'oxydation et/ou la contamination par toute autre substance. L'atmosphère chimiquement inerte comprend par exemple un gaz tel que l'azote ou l'argon. Le cas échéant, un additif peut être ajouté au mélange à broyer afin de réaliser un broyage dit par « voie humide ». Toutefois, de préférence, le mélange ne contient pas d'additif, afin de réaliser un broyage dit par « voie sèche ». Lors du broyage, les grains obtenus sont alternativement déformés, fracturés et soudés les uns aux autres. La modification de la structure cristalline qui s'ensuit permet la diffusion des éléments chimiques, ce qui conduit à la formation d'une poudre d'un nouvel d'alliage. -6- La poudre du composé Cu2ZnSnS4 obtenue à l'issue du broyage est nanostructurée, puisque composée de nanocristallites (éventuellement agrégés et/ou agglomérés), c'est à dire de cristallites d'une taille moyenne comprise par exemple entre 1 nm et 10 nm. Cette poudre présente un bon degré de pureté, ce qui se traduit par exemple par un diagramme de diffraction X et/ou un spectre Raman qui ne présente pas de pic(s) de phase(s) secondaire(s) qui est aisément détectable. It should be noted, however, that one skilled in the art can operate in a wide range of intensity and grinding power in order to carry out the mechanosynthesis step. The duration of grinding also influences the mechanosynthesis. Although it depends on the grinding conditions, the grinding time is generally at least 24 hours, for example between 24 hours and 144 hours, preferably between 72 hours and 120 hours. The grinding may be carried out under vacuum or in a chemically inert atmosphere, in particular with respect to the constituents of the mixture and the compound Cu 2 ZnSnS 4 in order to limit the oxidation thereof and / or the contamination by any other substance. The chemically inert atmosphere includes, for example, a gas such as nitrogen or argon. If necessary, an additive may be added to the mixture to be milled in order to carry out "wet" milling. However, preferably, the mixture does not contain any additive, so as to carry out grinding said "dry". During grinding, the grains obtained are alternately deformed, fractured and welded to each other. The resulting crystal structure modification allows the diffusion of the chemical elements, which leads to the formation of a powder of a new alloy. The powder of the Cu 2 ZnSnS 4 compound obtained at the end of the grinding is nanostructured, since it consists of nanocrystallites (possibly aggregated and / or agglomerated), ie crystallites with a mean size of, for example, between 1 nm and 10 nm. This powder has a good degree of purity, which results, for example, in an X-ray diffraction pattern and / or in a Raman spectrum which has no peak (s) of secondary phase (s) which is easily detectable.

Alternativement, le degré de pureté est supérieur à 98 %, préférentiellement à 99 %, encore plus préférentiellement à 99,5 %. Il peut par exemple être mesuré en calculant le rapport, multiplié par 100, entre l'amplitude du pic de diffraction de plus grande amplitude caractéristique du composé Cu2ZnSnS4 et l'amplitude du pic de diffraction de plus grande amplitude caractéristique de l'impureté majoritaire. Concernant sa mise en oeuvre, la poudre du composé Cu2ZnSnS4 synthétisée peut être utilisée telle quelle, sous forme d'encre ou également sous forme de matériau compact. Le matériau compact peut par exemple être obtenu à l'aide du procédé de fabrication de l'invention comprenant en outre, après l'étape de broyage, une étape dans laquelle la poudre du composé Cu2ZnSnS4 est ensuite compactée à chaud, ou compactée à froid puis frittée. Le matériau compact peut être utilisé pour réaliser une cible pour la pulvérisation cathodique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être précisés dans la description qui suit d'un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, donné à titre illustratif et non limitatif, en référence à la Figure 1 annexée. -7- BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La Figure 1 représente le diagramme de diffraction X d'une poudre du composé Cu2ZnSnS4 obtenue à l'aide d'un broyeur à vibrations verticales. Les plans cristallographiques caractéristiques du composé Cu2ZnSnS4 sont indiqués sur le diagramme. EXPOSE DE MODE DE REALISATIONS PARTICULIERS 1. Synthèse d'une poudre de Cu2ZnSnS4 à l'aide d'un broyeur à billes. Une poudre de Cu2ZnSnS4 est fabriquée en réalisant la mécanosynthèse dans un broyeur à vibrations de petite capacité (modèle « Pulvérisette PO » commercialisé par la société Fritsch). Alternatively, the degree of purity is greater than 98%, preferably 99%, even more preferentially 99.5%. It can for example be measured by calculating the ratio, multiplied by 100, between the amplitude of the diffraction peak of greater amplitude characteristic of the compound Cu2ZnSnS4 and the amplitude of the diffraction peak of greater amplitude characteristic of the majority impurity. As regards its implementation, the powder of the synthesized compound Cu 2 ZnSnS 4 can be used as it is, in the form of ink or also in the form of a compact material. The compact material may for example be obtained using the manufacturing method of the invention further comprising, after the grinding step, a step in which the powder of the compound Cu 2 ZnSnS 4 is then hot-compacted, or cold-compacted. then sintered. The compact material can be used to make a target for sputtering. Other objects, features and advantages of the invention will now be specified in the following description of a particular embodiment of the method of the invention, given by way of illustration and not limitation, with reference to the appended FIG. . BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 represents the X-ray diffraction pattern of a Cu2ZnSnS4 compound powder obtained using a vertical vibration mill. The characteristic crystallographic planes of the Cu2ZnSnS4 compound are shown in the diagram. EXAMPLE OF PARTICULAR EMBODIMENTS 1. Synthesis of a Cu2ZnSnS4 powder using a ball mill. A Cu2ZnSnS4 powder is manufactured by carrying out the mechanosynthesis in a small capacity vibrating mill (model "Pulveris PO" marketed by the company Fritsch).

Le broyeur « Pulvérisette PO » comprend une enceinte qui peut être fermée hermétiquement à l'aide d'un joint que l'on recouvre d'un couvercle scellé par des vis-écrous. Ce couvercle est muni d'une vanne permettant de faire si besoin le vide ou de contrôler l'atmosphère à l'intérieur enceinte. The "Pulveriser PO" crusher comprises an enclosure which can be sealed with a gasket which is covered with a cover sealed by screw-nuts. This cover is equipped with a valve allowing to make the vacuum if necessary or to control the atmosphere inside pregnant.

Un creuset est placé dans l'enceinte. Il est destiné à recevoir le mélange à broyer, ainsi qu'une bille de 500 grammes et de diamètre 50 mm. Le creuset et la bille sont en acier 10006. Des thermocouples permettent de mesurer la température à l'extérieur (en tant que référence) et aux parois du creuset qui est placé dans l'enceinte. Un plateau vibrant supporte l'enceinte afin de la faire vibrer verticalement ainsi que la bille contenue dans le creuset. Comme indiqué dans le document « Y. Chen, M. Bibole, R. Lehazif, G. Martin, Phys. Rev. B, vol. 48, pages 14 à 21 (1993) », l'intensité du broyage peut être modulée en fonction de l'amplitude des vibrations verticales selon la formule suivante : -8- I = ( MM - Vma x - f ) / Mp , dans laquelle : I : intensité de broyage Mb : masse de la bille Mp : masse du mélange à broyer (sous forme de poudre, pépite, ...) Vma x : vitesse maximale du plateau vibrant, qui correspond au produit de l'amplitude de vibration et de la pulsation du plateau vibrant (fixée à 2H x 50 Hz). f : fréquence des chocs qui peut être mesurée avec un transducteur différentiel sur le haut de l'enceinte. A crucible is placed in the enclosure. It is intended to receive the mixture to grind, as well as a ball of 500 grams and diameter 50 mm. The crucible and the ball are made of 10006 steel. Thermocouples make it possible to measure the outside temperature (as a reference) and the walls of the crucible which is placed in the enclosure. A vibrating tray supports the speaker to make it vibrate vertically and the ball contained in the crucible. As stated in the document "Y. Chen, M. Bibole, R. Lehazif, G. Martin, Phys. Rev. B, vol. 48, pages 14 to 21 (1993) ", the intensity of the grinding can be modulated according to the amplitude of the vertical vibrations according to the following formula: I = (MM - Vma x - f) / Mp, in which: I: intensity of grinding Mb: mass of the ball Mp: mass of the mixture to grind (in the form of powder, nugget, ...) Vma x: maximum speed of the vibrating plate, which corresponds to the product of the amplitude of vibration and pulsation of the vibrating tray (fixed at 2H x 50 Hz). f: shock frequency that can be measured with a differential transducer on the top of the enclosure.

En fonction de l'amplitude choisie, l'intensité est par exemple pour le cas présent où Mb = 500 g et Mp = 4 g : amplitude de 0,9 mm : I = 600 m/s2 amplitude de 1,3 mm : I = 1200 m/s2 Une intensité de I = 1200 m/s2 est retenue pour le broyage qui suit. Dans une boîte à gants sous atmosphère d'argon, on place le broyeur et on élabore un mélange de 4 g à partir des constituants suivants : - 0,877 g de poudre de soufre (commercialisée par la société Prolabo sous le numéro 28260, pureté de 99.5 %) ; - 0,362 g de poudre d'étain (commercialisée par la société GoodFellow sous le numéro LS 279681, pureté de 99,9 %) ; - 1,874 g de poudre d'un précurseur Cu3Sn obtenue par mécanosynthèse, en broyant pendant 72 heures sous argon un mélange de 3,084 g de poudre de cuivre et 1,916 g de poudre d'étain avec le broyeur « Pulvérisette PO ». La poudre de -9- Cu3Sn obtenue est composée de cristallites de taille moyenne comprise entre 5 nm 10 nm ; - 0,887 g d'un précurseur ZnS sous forme de pépites (commercialisé par la société GoodFellow sous le numéro ZN536100, pureté de 99,99 %). Les quantités de chaque constituant dans le mélange ainsi obtenu permettent de faire en sorte que Cu, Zn, Sn et S sont présents selon les proportions stoechiométriques du composé Cu2ZnSnS4 à synthétiser. Depending on the amplitude chosen, the intensity is for example the case where Mb = 500 g and Mp = 4 g: amplitude of 0.9 mm: I = 600 m / s2 amplitude of 1.3 mm: I = 1200 m / s2 An intensity of I = 1200 m / s2 is retained for the following grinding. In a glove box under an argon atmosphere, the grinder is placed and a mixture of 4 g is prepared from the following constituents: 0.877 g of sulfur powder (sold by Prolabo under the number 28260, purity of 99.5 %); 0.362 g of tin powder (marketed by GoodFellow under the number LS 279681, purity of 99.9%); 1.874 g of powder of a precursor Cu3Sn obtained by mechanosynthesis, by grinding for 72 hours under argon a mixture of 3.084 g of copper powder and 1.916 g of tin powder with the mill "Spray PO". The resulting Cu3Sn powder is composed of crystallites of average size between 5 nm 10 nm; 0.887 g of a ZnS precursor in the form of nuggets (marketed by GoodFellow under the number ZN536100, purity of 99.99%). The amounts of each component in the mixture thus obtained make it possible to ensure that Cu, Zn, Sn and S are present in the stoichiometric proportions of the Cu 2 ZnSnS 4 compound to be synthesized.

Le mélange et la bille sont ensuite introduits dans le creuset du broyeur. Après avoir scellé le couvercle de l'enceinte, la vanne est fermée afin de préserver une atmosphère d'argon. Le broyeur est extrait de la boîte à gants et fixé sur le plateau vibrant dont l'amplitude de vibration est fixée à 1,3 mm. Les chocs produits lors du broyage n'induisent qu'une très faible augmentation de la température, que l'on peut considérer comme constante. The mixture and the ball are then introduced into the crucible of the mill. After sealing the enclosure lid, the valve is closed to preserve an argon atmosphere. The mill is removed from the glove box and fixed on the vibratory tray whose amplitude of vibration is fixed at 1.3 mm. Shocks produced during grinding only result in a very small increase in temperature, which can be considered constant.

Après 120 heures de broyage, la poudre de Cu2ZnSnS4 obtenue est extraite du broyeur pour être analysée ultérieurement. 2. Caractérisation de la poudre de Cu2ZnSnS4 obtenue. After 120 hours of grinding, the Cu 2 ZnSnS 4 powder obtained is extracted from the mill for later analysis. 2. Characterization of the Cu2ZnSnS4 powder obtained.

La poudre de Cu2ZnSnS4 obtenue est analysée avec un diffractomètre à rayons X (modèle « X'Pert Pro » commercialisée par la société PANalytical) dont les paramètres d'analyse sont les suivants : - tube d'émission de rayons X (anode) en cobalt émettant une radiation d'une longueur d'onde de 1,78897 À ; - fente de divergence 1 ; - masque = 10 ; - fente anti-diffusion = 2 ; -10- - fente de réception = 6,6 ; - pas de mesure = 0,02° pendant 1000 secondes ; - angles de balayage = 20° < 20 < 160° ; - filtres placés en amont de la fente de divergence et en aval de la fente de réception. Le diagramme de diffraction X obtenu est reproduit sur la Figure 1. La comparaison des pics identifiés dans ce diagramme avec ceux de la référence JCPDS 00-026-0575b confirme l'obtention de la poudre de Cu2ZnSnS4. A partir de la largeur des pics à mi-hauteur, la taille moyenne des cristallites des poudres de Cu2ZnSnS4 est calculée à l'aide de la relation de Scherrer. Pour ce calcul, le facteur de forme « K » est fixé à 0,89 en considérant que les cristallites sont sphériques. La taille moyenne des cristallites de la poudre de la poudre de Cu2ZnSnS4 est comprise entre 1 nm et 10 nm. La poudre de Cu2ZnSnS4 obtenue présente par ailleurs un degré de pureté très élevé comme l'atteste l'absence de pics parasites sur le diagramme de diffraction X, et le spectre Raman non reproduit ici. Selon la méthode connue de l'homme du métier, les propriétés optiques du composé Cu2ZnSnS4 ont été déterminées à partir du calcul de l'énergie du gap. Pour cela l'absorbance a été mesurée par dispersion dans l'éthanol puis exposition à un balayage de rayonnement incident compris entre 200 nm à 1200 nm. On trace ensuite la courbe a2 (coefficient d'absorption déterminé à partir de l'absorbance) en fonction de l'énergie du rayonnement incident. On extrapole ensuite la partie linéaire de cette courbe pour déterminer la valeur de l'énergie pour laquelle l'absorbance est nulle. Cette valeur correspond à celle de l'énergie de gap. The Cu 2 ZnSnS 4 powder obtained is analyzed with an X-ray diffractometer ("X'Pert Pro" model marketed by the company PANalytical) whose analysis parameters are as follows: X-ray emission tube (anode) in cobalt emitting a radiation of a wavelength of 1.78897 Å; - divergence slot 1; - mask = 10; - anti-diffusion slot = 2; -10- - receiving slot = 6.6; - no measurement = 0.02 ° for 1000 seconds; - scanning angles = 20 ° <20 <160 °; - filters placed upstream of the divergence slot and downstream of the receiving slot. The diffraction pattern X obtained is reproduced in FIG. 1. The comparison of the peaks identified in this diagram with those of reference JCPDS 00-026-0575b confirms the obtaining of the Cu 2 ZnSnS 4 powder. From the width of the peaks at mid-height, the average crystallite size of the Cu 2 ZnSnS 4 powders is calculated using the Scherrer relation. For this calculation, the form factor "K" is set at 0.89 considering that the crystallites are spherical. The average crystallite size of the powder of the Cu 2 ZnSnS 4 powder is between 1 nm and 10 nm. The Cu2ZnSnS4 powder obtained also has a very high degree of purity as evidenced by the absence of parasitic peaks on the X-ray diffraction pattern, and the Raman spectrum not reproduced here. According to the method known to those skilled in the art, the optical properties of the compound Cu2ZnSnS4 were determined from the calculation of the gap energy. For this, the absorbance was measured by dispersion in ethanol then exposure to an incident radiation scan of between 200 nm and 1200 nm. The curve a2 (absorption coefficient determined from the absorbance) is then plotted against the energy of the incident radiation. The linear part of this curve is then extrapolated to determine the value of the energy for which the absorbance is zero. This value corresponds to that of the gap energy.

L'énergie de gap du composé Cu2ZnSnS4 ainsi calculée est Egap = 1.5 ev (valeur théorique de Egap = 1.5 ev). Il ressort de la description qui précède que le procédé de fabrication de l'invention permet de fabriquer une poudre nanostructurée de Cu2ZnSnS4 dont le degré de pureté est amélioré, sans que cela nécessite pour autant une étape de recuit. The gap energy of the compound Cu2ZnSnS4 thus calculated is Egap = 1.5 ev (theoretical value of Egap = 1.5 ev). It follows from the foregoing description that the manufacturing method of the invention makes it possible to manufacture a nanostructured Cu2ZnSnS4 powder whose degree of purity is improved, without this requiring an annealing step.

Claims (14)

REVENDICATIONS1) Procédé de fabrication par mécanosynthèse d'une poudre du composé Cu2ZnSnS4, le procédé comprenant une étape dans laquelle on réalise un broyage d'un mélange contenant : - les éléments chimiques Sn et S sous forme élémentaire - les précurseurs ZnS et Cu3Sn ; ledit mélange contenant Cu, Zn, Sn et S selon les proportions stoechiométriques dans lesquelles ils se trouvent dans le composé Cu2ZnSnS4. 1) Method of manufacturing by mechanosynthesis of a powder of the compound Cu2ZnSnS4, the method comprising a step in which is carried out a grinding of a mixture containing: - the chemical elements Sn and S in elemental form - the precursors ZnS and Cu3Sn; said mixture containing Cu, Zn, Sn and S in stoichiometric proportions in which they are in the compound Cu2ZnSnS4. 2) Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel les éléments chimiques Sn, S, les précurseurs ZnS ou Cu3Sn se présentent, indépendamment les uns des autres, sous forme de poudre ou de pépite. 2) The manufacturing method according to claim 1, wherein the chemical elements Sn, S, the precursors ZnS or Cu3Sn are, independently of each other, in the form of powder or nugget. 3) Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel, lorsqu'ils se présentent sous forme de poudre, les éléments chimiques Sn, S, les précurseurs ZnS et/ou Cu3Sn ont des grains d'une taille moyenne comprise entre 100 nm et 3 mm. 3) The manufacturing method according to claim 2, wherein, when in the form of a powder, the chemical elements Sn, S, the precursors ZnS and / or Cu3Sn have grains of average size between 100 nm and 3 mm. 4) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le broyage du mélange est réalisé à l'aide d'un broyeur choisi parmi un broyeur à vibrations verticales, un broyeur à boulets, un broyeur planétaire ou un attriteur. 4) A method of manufacture according to any one of the preceding claims, wherein the grinding of the mixture is carried out using a grinder selected from a vertical vibration mill, a ball mill, a planetary mill or an attritor. 5) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le broyage est réalisé sous vide ou dans une atmosphère chimiquement inerte vis-à-vis des constituants du mélange et du composé Cu2ZnSnS4.-13- 5) A method of manufacture according to any one of the preceding claims, wherein the grinding is carried out under vacuum or in an atmosphere chemically inert vis-à-vis the constituents of the mixture and the compound Cu2ZnSnS4.-13- 6) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la poudre du composé Cu2ZnSnS4 est composée de cristallites d'une taille moyenne comprise entre 1 nm et 10 nm. 6) The manufacturing method according to any one of the preceding claims, wherein the powder of the compound Cu2ZnSnS4 is composed of crystallites with a mean size of between 1 nm and 10 nm. 7) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, après l'étape de broyage, le procédé comprend en outre une étape dans laquelle la poudre du composé Cu2ZnSnS4 est compactée à chaud, ou compactée à froid puis frittée. 7) A manufacturing method according to any one of the preceding claims, wherein after the grinding step, the method further comprises a step wherein the powder of the compound Cu2ZnSnS4 is hot compacted, or cold compacted and sintered. 8) Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel le matériau compact obtenu est utilisé pour réaliser une cible pour la pulvérisation cathodique. 8) The manufacturing method according to claim 7, wherein the compact material obtained is used to achieve a target for sputtering. 9) Utilisation du procédé de fabrication tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour réaliser une couche mince. 9) Use of the manufacturing method as defined in any one of claims 1 to 8, for producing a thin layer. 10) Utilisation selon la revendication 9, dans laquelle on réalise la couche mince à l'aide d'un procédé de dépôt sous vide. 10) Use according to claim 9, wherein the thin layer is made using a vacuum deposition process. 11) Utilisation selon la revendication 10, dans laquelle le procédé de dépôt sous vide est la pulvérisation cathodique ou l'évaporation. 11) Use according to claim 10, wherein the vacuum deposition process is sputtering or evaporation. 12) Utilisation selon la revendication 9, dans laquelle on réalise la couche mince à l'aide d'un procédé de dépôt par voie liquide. 12) Use according to claim 9, wherein the thin layer is produced using a liquid deposition process. 13) Utilisation selon la revendication 12, dans laquelle le procédé de dépôt par voie liquide est la sérigraphie, le dépôt à la tournette ou le coulage en bande.-14- 13) Use according to claim 12, wherein the liquid deposition process is screen printing, spin coating or strip casting. 14) Utilisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans laquelle la couche mince entre dans la composition d'une cellule photovoltaïque. 14) Use according to any one of claims 9 to 13, wherein the thin layer is in the composition of a photovoltaic cell.
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