FR3030582A1 - Materiau a gap croissant - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un matériau cristallin et absorbant à l'égard d'un rayonnement, formé au moins en partie de mailles élémentaires d'un premier oxyde et de mailles élémentaires d'un deuxième oxyde différent du premier oxyde, deux mailles élémentaires contiguës présentant un désaccord de maille inférieur à 20 %, de préférence inférieur à 5 %, et ledit matériau présentant un gap croissant continûment de part en part selon au moins une direction.
Description
La présente invention concerne un matériau absorbant à l'égard d'un rayonnement, destiné à des applications photovoltaïques ou à des applications mettant en oeuvre une mesure d'un rayonnement lumineux, notamment infrarouge.
Dans le domaine de la production d'énergie électrique à partir du rayonnement solaire, il est activement recherché une cellule présentant un rendement (c'est-à-dire un rapport entre l'énergie électrique produite par la cellule sur l'énergie lumineuse qu'elle reçoit) le plus élevé possible. Une cellule photovoltaïque à base de silicium présente une unique jonction n-p permettant l'accélération des charges minoritaires et la production d'un courant électrique. Son faible rendement de 20 % résulte notamment dans l'incapacité du silicium à convertir en énergie électrique une large plage de longueurs d'onde du spectre solaire. Des cellules multi-jonctions à base silicium ont alors été développées, qui absorbent une plus large plage de longueurs d'ondes du spectre solaire. Elles consistent en un empilement constitué d'une alternance de couches de silicium dopé p ou n, chaque couche de silicium étant spécifiquement traitée pour convertir des longueurs d'ondes particulières du spectre lumineux, par exemple dans le bleu ou le rouge. En pratique, le rendement d'une cellule multijonction peut atteindre 40 °A. On connait aussi de [Stan] une cellule triple-jonction consistant en une couche de phosphure de gallium dopé à l'arsenic (GaInAs), une couche de phosphure de gallium dopé à l'indium (GaInP) et une couche de germanium (Ge) empilées successivement l'une sur l'autre. Chacun des matériaux constituant les couches est apte à convertir une plage de longueurs d'onde spécifique du spectre lumineux. Le rendement d'une telle cellule, mesurée en laboratoire est de 41 °A.
Cependant, la fabrication d'une cellule multijonction est plus coûteuse qu'une cellule à unique jonction. En outre, pour obtenir les rendements évoqués ci-dessus, il est nécessaire de disposer d'optiques à concentration pour focaliser la lumière du soleil sur les cellules, ce qui augmente le coût des dispositifs photovoltaïques. Enfin, l'arsenic est un élément toxique, qui impose le respect de contraintes industrielles de fabrication.
Il existe donc un besoin pour une cellule, notamment pour application photovoltaïque ou pour des applications mettant en oeuvre une mesure d'un rayonnement lumineux, notamment infrarouge, permettant de s'affranchir des problèmes décrits ci-dessus. L'invention vise précisément à répondre à cette attente.
Ainsi elle propose un matériau cristallin et absorbant à l'égard d'un rayonnement, formé au moins en partie de mailles élémentaires d'un premier oxyde et de mailles élémentaires d'un deuxième oxyde différent du premier oxyde, deux mailles élémentaires contiguës présentant un désaccord de maille inférieur à 20 %, de préférence inférieur à 5 %, et ledit matériau présentant un gap croissant continûment de part en part selon au moins une direction X. Le « gap » ou « énergie de gap » correspond à l'énergie nécessaire à apporter à un électron pour le faire transiter de la bande de valence à la bande de conduction d'un oxyde.
Le matériau selon l'invention est avantageux à plusieurs titres. Tout d'abord, une cellule photovoltaïque comportant le matériau selon l'invention peut absorber une plage de longueurs d'ondes de la lumière plus large que celle absorbée par les cellules monojonction et multijonction décrites ci-dessus. En outre, le matériau selon l'invention présente une faible teneur en défauts cristallins, générateurs de contraintes mécaniques et connus pour dégrader les propriétés photovoltaïques du matériau. Ainsi, le rendement de conversion d'énergie lumineuse en énergie électrique d'une cellule photovoltaïque comportant le matériau selon l'invention est amélioré. Enfin, le matériau selon l'invention peut être fabriqué dans des conditions respectables de l'environnement. Il est à noter qu'un matériau selon l'invention présente, pour chaque oxyde qui le compose, un gradient de concentration continu. Il ne peut donc être considéré comme une cellule multijonction, dans laquelle la transition à l'interface entre deux couches est caractérisée par une discontinuité de la concentration des matériaux qui la constituent. Par ailleurs, le matériau selon l'invention peut être exempt de jonction p/n.
GAP CROISSANT CONTINUMENT Un matériau à gap croissant est tel que le gap croît selon la direction de croissance du gap et de part en part du matériau entre une valeur de gap minimale ken et une valeur de gap maximale EX et différente de Egmin.
Par gap du matériau continument croissant, on entend que le rapport que le coefficient de continuité C peut être inférieur à 1, inférieur à 0,8, inférieur à 0,7, inférieur à 0,5, inférieur à 0,3, voire inférieur à 0,15. Le coefficient de continuité C est exprimé selon l'équation suivante : _\j-nlEirc`=1(Ve - VE9)2 C = V'E g dans laquelle VEg est le gradient de gap global et VEigc est le k-ième gradient local du gap. Le gradient global du gap VEg correspond au rapport de la différence des valeurs maximale Egm"et minimale kien du gap sur la plus grande dimension e du matériau selon la direction de croissance du gap. Cette plus grande dimension est par exemple l'épaisseur du matériau. Autrement dit, le gradient de gap global VEg est exprimé 15 comme Emax Emin - Le k-ième gradient local du gap VEgk est déterminé en divisant la plus grande dimension e décrite ci-dessus en n intervalles régulièrement espacés, de préférence de longueur constante. n est de préférence supérieur ou égal à 5, voire supérieur ou égal à 10, 20 voire même supérieur ou égal à 20. Le k-ième gradient de gap local correspond au rapport entre la variation du gap Egi - E entre les extrémités i et j d'un intervalle k divisé par la longueur lk de l'intervalle k, avec 1 < k < n. Par exemple le nombre de divisons n de la longueur e peut être choisi de sorte que la longueur k soit de 10 nm. Le k-ième gradient local du gap VEgk peut ainsi être exprimé selon la relation suivante : - E' 25 VEk = g lk g Par exemple, dans un mode de réalisation, un matériau à gap continument croissant est tel le gap est constant sur une distance inférieure à 10 nm le long de la direction de croissance du gap et qu'il croit entre deux zones successives espacées de plus de 10 nm le long de la direction de croissance du gap. Une « direction » comporte deux sens. Ainsi, sauf indication contraire, par évolution croissante d'un paramètre, par exemple le gap, on considère que selon une même direction, le paramètre croit selon un sens et décroit selon le sens opposé. Les bornes minimale et maximale entre lesquelles le gap évolue continument peuvent être choisies en fonction de l'application visée. De préférence, le matériau présente un gap qui croit continument entre 0,25 eV et 3,20 eV. Il peut ainsi absorber et convertir une plage de longueurs d'onde du rayonnement solaire comprises entre 380 nm et 5000 nm, aussi bien dans le visible que dans l'infrarouge. Pour des applications photovoltaïques, où la plage de longueurs d'onde à convertir est généralement comprise entre 380 nm et 780 nm, le matériau présente de préférence un gap qui croit continument entre 1,59 eV et 3,20 eV. Pour des applications de conversion d'un rayonnement infrarouge, dont la plage de longueurs d'onde est généralement comprise entre 780 nm et 500 ùm, le matériau présente de préférence un gap qui croit continument entre 0,25 eV et 1,59 eV. Dans le cas où le matériau se présente sous la forme d'une couche déposée sur un substrat, le gap du matériau peut décroitre de la grande face de la couche au contact du substrat vers la grande face de la couche située à l'opposé. Une telle décroissance du gap est préférée lorsque le matériau est destiné à des applications photovoltaïques. Notamment, deux oxydes différents sont tels qu'ils présentent des gaps différents. Le matériau selon l'invention comportant de tels oxydes, le gap de deux zones différentes du matériau peut varier en fonction des concentrations en premier et deuxième oxydes dans chacune de ces zones. Le gap en une zone du matériau peut être mesuré en surface du matériau par éllipsométrie spectroscopique. Une première mesure de gap est ainsi obtenue. Une gravure peut ensuite être effectuée sur cette surface du matériau de sorte à retirer de la matière, par exemple sur une profondeur de 10 nm. Une nouvelle mesure de gap optique est effectuée sur la surface située au fond de la gravure. En effectuant une succession d'étapes de mesure par éllipsométrie et de gravures destructives, il est ainsi possible de mesurer l'évolution du gap le long de la direction de croissance du gap MAILLES ELE1VIENTAIRES Le matériau selon l'invention est formé au moins en partie de mailles élémentaires d'un premier oxyde et de mailles élémentaires d'un deuxième oxyde différent du premier oxyde avec deux mailles élémentaires contiguës présentant un désaccord de maille inférieur à 20 °A. Deux mailles élémentaires « contiguës » partagent en commun certains des atomes ou molécules qui définissent chacune des deux mailles élémentaires. A titre illustratif, une maille élémentaire d'un oxyde de formule ABO3 et de structure perovskite partage avec un oxyde de formule AB'03 et de structure perovskite un plan cristallin de type (100) comportant des atomes A et O. Dans le plan situé à l'interface entre deux mailles élémentaires contigües une direction de la première maille élémentaire de paramètre al et une direction de la deuxième maille élémentaire de paramètre a2 sont confondues selon une unique direction dénommée direction de désaccord. De préférence, deux mailles élémentaires contigües présentent deux directions de désaccord différentes. Le désaccord de maille a entre des première et deuxième mailles élémentaires contigües de paramètre de maille ai et az selon une direction de désaccord est exprimé, en pourcentage, par la relation suivante : a = al-a2 X100 a2 Une maille élémentaire est notamment définie par sa structure cristallographique et par trois paramètres de mailles, chaque paramètre de maille correspondant à la plus petite distance selon laquelle le motif atomique ou moléculaire que définit la maille élémentaire est répété périodiquement selon une direction de l'espace. Paramètre de maille Ce paramètre de maille est exprimé pour une configuration d'équilibre de la maille élémentaire, à une température donnée et à une pression donnée. Autrement dit, le désaccord de maille entre deux mailles élémentaires est calculé sur la base de valeurs de paramètres de maille élémentaire, exprimé aux mêmes température et pression.
Le paramètre d'une maille élémentaire d'un oxyde peut être mesuré par diffraction des rayons X sur un échantillon constitué de l'oxyde. Structure cristallographique Par structure cristallographique, on considère l'ordre selon lequel s'arrangent les atomes ou molécules constitutives du cristal. Ainsi, deux matériaux oxydes peuvent être différents tout en présentant une même structure cristallographique, par exemple de type perovskite. Ils peuvent notamment être différents par la composition chimique et/ou par des valeurs de paramètres de maille différents.
Matériaux oxydes Les premier et deuxième oxydes peuvent notamment être choisis parmi les oxydes de structure perovskite, de structure K2NiF4, et de structure scheelite. D'autres structures cristallographiques peuvent aussi être envisagées.
De préférence, les mailles élémentaires d'un des premier et deuxième oxydes sont celles d'une structure perovskite de formule générale AB03. Les éléments A et B peuvent être choisis en fonction de leur valence respective et de celle de l'oxygène de façon à former un perovskite de formule générale AB03. De préférence, l'élément A est choisi dans le groupe constitué par l'hydrogène (H), le potassium (K), le cuivre (Cu), le lithium (Li), l'argent (Ag) et l'or (Au) et l'élément B est choisi dans le groupe formé par le bismuth (Bi), l'antimoine (Sb), le niobium (Nb), le vanadium (V), ou l'élément A est choisi dans le groupe formé par le calcium (Ca), le baryum (Ba), le strontium (Sr), le plomb (Pb) et l'élément B est choisi dans le groupe formé par le titane (Ti), le zirconium (Zr), le ruthénium (Ru), le molybdène (Mo) et le rhodium (Rh), ou l'élément A est choisi dans le groupe formé par le lanthane (La), le bismuth (Bi), le cérium (Ce), le néodyme (Nd), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), le praséodyme (Pr), l'holmium (Ho), l'erbium (Er), l'ytterbium (Yb) et le lutécium (Lu) et l'élément B est choisi dans le groupe formé par l'aluminium (Al), le chrome (Cr), le fer (Fe), le gallium (Ga), l'indium (In), le scandium (Sc) et le manganèse (Mn).
En variante, les mailles élémentaires d'un des premier et deuxième oxydes peuvent être celles d'une structure perovskite de formule générale A2B',B",,,,06 ou de formule générale A3B'yB"y,09 telles que décrites dans US 2006/0148636 Al, où des lacunes en oxygène sont obtenues par choix spécifiques des teneurs molaires en B' et B".
Les premier et deuxième oxydes peuvent présenter des structures cristallographiques différentes. Dans ce cas, notamment, lorsque les mailles élémentaires d'un oxyde sont celles d'une structure perovskite, les mailles élémentaires de l'autre oxyde sont de préférence celles d'une structure de type K2NiF4 ou de type scheelite.
Dans une variante préférée, les mailles élémentaires des premier et deuxième oxydes présentent une structure cristallographique identique. Un matériau selon l'invention constitué de mailles élémentaires de même structure cristallographique peut ainsi être aisément fabriqué.
De préférence, plus de 90 %, voire plus de 95 %, voire plus de 99 % en nombre, voire toutes les mailles élémentaires du matériau sont des mailles élémentaires de structure cristallographique perovskite. Les mailles élémentaires forment alors une solution solide. Autrement dit, une maille élémentaire d'un premier oxyde peut être obtenue par substitution d'un atome ou 20 d'un groupement d'atomes du deuxième oxyde. Par exemple, un matériau selon l'invention comportant un oxyde de structure perovskite de type ABO3 et un oxyde de structure perovskite AB'03 forment une solution solide obtenue par exemple par substitution des atomes B de la structure par des atomes B'. Une telle solution solide peut être désignée sous la forme A(B,B')03 ou sous la forme 25 AB(1)B',(03 où x désigne la concentration molaire en l'atome B' dans la solution solide, avec 0 <x < 1. En variante, la solution solide peut être obtenue par substitution des atomes de type A par des atomes de type A'. Une telle solution solide peut être désignée sous la forme (A,A')B03 ou sous la forme A(l_y)A'yO3 où y désigne la concentration molaire en 30 l'atome A' dans la solution solide, avec 0 <y < 1.
Dans une autre variante, la solution solide peut être obtenue par substitution anionique de l'oxygène, par exemple avec de l'azote. Une telle substitution est connue de [Mukherj] pour modifier le gap d'un oxyde perovskite.
Par ailleurs, le matériau comportant des première et deuxième mailles d'oxydes différents, il peut présenter en des zones différentes des valeurs de paramètre de maille intermédiaire différentes. Le paramètre de maille intermédiaire selon une direction de désaccord dépend notamment des concentrations volumiques des première et deuxième mailles élémentaires et des paramètres de maille selon la direction de désaccord. En tout état de cause, le paramètre de maille intermédiaire à selon une direction de désaccord est tel que al < i< a2, où al et a2 sont les paramètres de maille des première et deuxième mailles élémentaires selon la direction de désaccord. Le paramètre de maille intermédiaire peut en particulier être mesuré par diverses méthodes, notamment par micro-diffraction X et/ou en microscopie électronique à transmission. De préférence, le paramètre de maille intermédiaire du matériau cristallin croît continûment, et de préférence linéairement, de part en part du matériau selon au moins une direction, de préférence selon la direction de croissance du gap.
Par paramètre de maille intermédiaire continument croissant, on considère que le paramètre de maille intermédiaire est constant sur une distance inférieure à 10 nm le long d'une direction de croissance et qu'il croit entre deux zones successives espacées de plus de 10 nm le long de ladite direction de croissance. De préférence, la variation de paramètre de maille intermédiaire, mesurée le long d'un segment traversant le matériau de part en part est supérieure à 20 °A. En particulier, le matériau cristallin selon l'invention peut comporter des mailles élémentaires d'un troisième oxyde présentant un désaccord de maille supérieur à 20 % selon toutes les directions avec les mailles élémentaires de l'un des premier ou deuxième oxyde, mais présentant un désaccord de maille inférieur à 20 % avec les mailles élémentaires de l'autre des premier ou deuxième oxyde. Les mailles du troisième oxyde peuvent notamment être contigües au premier oxyde ou au deuxième oxyde. Plus particulièrement, le matériau selon l'invention peut présenter une zone comportant majoritairement l'un des premier et deuxième oxydes d'une part et le troisième oxyde d'autre part. En outre, il peut comporter une zone comportant majoritairement l'autre des premier et deuxième oxydes d'une part et le troisième oxyde d'autre part. Par exemple, dans un mode de réalisation, le matériau selon l'invention est tel qu'une maille élémentaire d'une structure perovskite de formule BiIn03 est contigüe à une maille élémentaire d'une structure pérovskite de formule BiSc03 et/ou une maille élémentaire d'une structure perovskite de formule BiSc03 est contigüe à une maille élémentaire d'une structure pérovskite de formule BiGa03 et/ou une maille élémentaire d'une structure perovskite de formule BiGa03 est contigüe à une maille élémentaire d'une structure perovskite de formule BiA103. Le gap et le paramètre de maille élémentaire peuvent croitre selon la même direction mais selon des sens opposés. En variante, ils peuvent croitre dans la même direction et selon le même sens.
PROCEDE DE PREPARTION D'UN 1VIATERI4U SELON L'INVENTION L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un matériau comportant un assemblage de première et deuxième solutions solides, consistant à mettre en oeuvre les étapes successives suivantes : a) disposer d'un substrat et de précurseurs de premier et deuxième oxydes , lesdits oxydes présentant des gaps différents et un désaccord de maille inférieur à 20 %, de préférence inférieur à 5 %, b) déposer en surface du substrat au moins le premier oxyde par réaction du ou des précurseurs dudit oxyde de façon à former la première solution solide, c) former selon une direction d'assemblage au contact de la première solution solide lesdits oxydes perovskite par réaction des précurseurs desdits oxydes, de sorte à assembler la deuxième solution solide avec la première solution solide, les étapes b) et c) étant menées de façon à ce que la concentration en deuxième oxyde de la deuxième solution solide soit supérieure à la concentration en deuxième oxyde de la première solution solide, et les gaps des première et deuxième solutions solides soient différents.
Le procédé selon l'invention permet notamment de fabriquer un matériau formé d'une unique couche capable d'absorber une plage large du rayonnement solaire et de convertir ce rayonnement en énergie électrique. De manière préférée, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre pour fabriquer un matériau selon l'invention. De préférence, la direction d'assemblage est parallèle à la direction de croissance du gap du matériau. L'invention concerne aussi un dispositif comportant un matériau selon l'invention et/ou obtenu par le procédé selon l'invention. De préférence, le dispositif est choisi parmi une cellule photovoltaïque, une cellule de mesure de la lumière, par exemple dans l'infra-rouge, une caméra de mesure thermique, un détecteur d'incendie. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 illustre un matériau selon un mode de réalisation de l'invention, sous la forme d'une couche et observé en coupe selon une section transverse, - la figure 2 illustre l'évolution des concentrations en premier et deuxième oxydes selon l'épaisseur du matériau illustré sur la figure 1, - la figure 3 illustre un matériau selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente l'évolution des paramètres de maille intermédiaire et du gap du matériau illustré sur la figure 4 selon son épaisseur, - les figures 5 et 6 illustrent des variantes de réalisation de matériaux selon l'invention, et - la figure 7 illustre un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans le dessin annexé, les proportions réelles des divers éléments constitutifs ou leurs espacements n'ont pas été toujours respectées dans un souci de clarté.
La figure 1 illustre un matériau 5 selon l'invention se présentant sous la forme d'une couche. La couche est disposée sur un substrat 10. Elle est constituée de mailles élémentaires d'un premier oxyde 15 et d'un deuxième oxyde 20 différent du premier oxyde. Par souci de clarté, sur la figure 1, seules deux mailles ont été schématiquement représentées. Les premier et deuxième oxydes sont tous deux de structure cristallographique perovskite et forment une solution solide.
La figure 2 illustre l'évolution des concentrations C en mailles élémentaires des premier et deuxième oxydes entre les grandes faces 22,23 de la couche le long de l'épaisseur e. Les mailles élémentaires du premier oxyde et du deuxième oxyde sont agencées au sein du matériau de telle sorte que, le long de l'épaisseur de la couche, la concentration en mailles élémentaires du premier oxyde 25 diminue continument selon l'épaisseur de la couche entre la grande face de la couche au contact du substrat et la grande face libre située à l'opposé. Conjointement, la concentration en mailles élémentaires du deuxième oxyde 30 augmente continument entre lesdites grandes faces. La concentration en mailles élémentaires d'un oxyde est définie comme le rapport du nombre de mailles élémentaires de cet oxyde sur le nombre total de mailles élémentaires d'oxydes constituant une tranche 35 du matériau d'épaisseur e'. Par « croissance continue », on exclue que la concentration soit constante entre deux tranches successives distinctes. La couche peut présenter une épaisseur e inférieure à 600 i.tm, voire inférieure à 100 iam, voire inférieure à 10 i.tm, voire inférieure à 500 nm, voire inférieure à 100 nm, voire inférieure à 15 nm. Dans une variante, au niveau de la grande face 22 de la couche disposée sur le substrat, seules des mailles élémentaires du premier oxyde sont au contact du substrat, et seules des mailles élémentaires du deuxième oxyde définissent la grande face 23 à l'opposé du matériau.
Les premier et deuxième oxydes constitutifs de la couche présentent des gaps différents. Les concentrations en maille élémentaire des premier et deuxième évoluant différemment, il en résulte que le gap croit continument d'une face à l'autre de la couche selon une direction de croissance du gap X, parallèle à l'épaisseur de la couche. Le gap peut croitre continument ou au contraire décroitre continument de la grande face 22 de la couche au contact du support vers la grande face opposée 23. Par ailleurs, les premier et deuxième oxydes peuvent être tels que le paramètre de maille du premier oxyde est inférieur au paramètre de maille du deuxième oxyde. En outre, le gap du premier oxyde peut être inférieur au gap du deuxième oxyde. Ainsi, le gap et le paramètre de maille intermédiaire croissent continument selon la même direction mais selon des sens opposés. Par exemple, le premier oxyde peut être BiIn03 de structure perovskite, de gap Eg1=0,42 eV et de paramètre de maille égal à 0,4204 nm selon la direction (001) et le deuxième oxyde peut être BiA103 de structure perovskite, de gap Eg2=1,14 eV et de paramètre de maille égal à 0,3871 nm selon la direction (001). La figure 3 présente une variante de réalisation du matériau selon l'invention, sous la forme d'une couche comportant quatre oxydes différents et de structure perovskite, formant trois solutions solides différentes au sein du matériau et disposées de manière contiguë deux à deux. Dans l'exemple de la figure 3 : - une première solution solide Si constituée de mailles élémentaires 40a de l'oxyde BiIn03 de gap Eg1=0,42eV et de paramètre de maille égal à ai=0,4204 nm et de mailles élémentaires 40b de l'oxyde BiSc03 de gap Eg2=0,45 eV et de paramètre de maille a2=0,4062 nm est disposée sur un substrat et - une deuxième solution solide S2 est constituée de mailles élémentaires 40b de l'oxyde BiSc03 et de mailles élémentaires 40c de l'oxyde BiGa03 de gap Eg3=0,91 eV et de paramètre de maille a3=0,3895 nm est disposée sur la première solution solide et - une troisième solution solide S3 est constituée de mailles élémentaires 40c de l'oxyde BiGa03 et de mailles élémentaires 40d de l'oxyde BiA103 de gap Eg4=1,14 eV et de paramètre de maille a4=0,3781 nm est disposée sur la troisième solution solide. Autrement dit, le matériau illustré sur la figure 3 est formé d'une succession de solutions solides Si, S2 et S3 successivement empilées les unes sur les autres. Dans l'exemple de la figure 3, la concentration en oxyde présentant le gap le plus bas est maximale sur la grande face 22 de la couche au contact du substrat et la concentration en oxyde présentant le gap le plus élevé est maximale sur la grande face 23 de la couche située à l'opposé de la grande face 22 selon l'épaisseur.
Ainsi, comme cela est illustré sur la figure 4, le gap G peut croître continument le long de l'épaisseur de la grande face de la couche disposée sur le substrat vers la grande face opposée de la couche. Au contraire, le paramètre de maille intermédiaire Ut peut décroître le long de l'épaisseur de la couche, de la grande face de la couche disposée sur le substrat vers la grande face opposée. En variante, le gap G peut décroître et le paramètre de maille intermédiaire Ut peut croître le long de l'épaisseur de la couche, de la grande face de la couche disposée sur le substrat vers la grande face opposée Dans le cas d'un empilement de solutions solides comme illustré sur la figure 3, il est préféré que deux solutions solides contiguës comportent au moins un oxyde en commun. A titre illustratif, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, les première Si et deuxième S2 solutions solides comportent l'oxyde BiSc03 en commun et les deuxième Sz et troisième S3 solutions solides comportent l'oxyde BiGa03 en commun. De cette manière contrairement aux couches classiques des cellules multijonction constituées de matériaux différents empilées les unes sur les autres, le paramètre de maille intermédiaire évolue continument lors du passage entre deux solutions solides contiguës, comme cela est illustré sur la figure 4. Le matériau selon l'invention permet ainsi de réduire le développement de défauts cristallins et de contraintes mécaniques associées, classiquement rencontrés dans les cellules multij onction de l'art antérieur, lié notamment à la discontinuité du paramètre de maille lors du passage entre deux couches contiguës d'un empilement. Dans une autre variante illustrée sur la figure 5, le matériau selon l'invention se présente sous la forme d'une couche disposée sur un substrat et le gap croit continument selon une direction X parallèle au substrat. En particulier, le matériau peut présenter une succession de solutions solides, comme par exemple celles décrites dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, à ceci près que les solutions solides sont au contact et disposées de manière contiguë les unes à la suite des autres selon la direction X. Le matériau selon l'invention peut aussi être dopé de type n ou dopé de type p.
Sur la figure 6 est illustré un dispositif 45 comportant un matériau selon l'invention dopé de type n 50a et un matériau selon l'invention dopé de type p 50b.
Le matériau dopé de type n consiste en une couche disposée sur un substrat 10, formée par la juxtaposition selon une direction X parallèle au substrat de solutions solides selon une direction parallèle au substrat, de préférence formées de mailles élémentaires d'oxyde de structure cristallographique perovskite. Il présente la forme d'un prisme droit dont la base 55 est un triangle rectangle. La grande face de la couche, définie par l'hypoténuse 57 de la base triangulaire et opposée à celle 58 disposée sur le substrat est inclinée par rapport au substrat. Le matériau dopé de type p consiste comme le matériau dopé de type n en une couche formée par la juxtaposition de solutions solide selon la direction X. Par ailleurs, il présente une forme identique à celle du matériau dopé de type n et est disposé sur le matériau dopé de type n de façon que les faces définies par les hypoténuses 57,59 des bases triangulaires de chaque matériau soient en contact l'une de l'autre et définissent une interface 60. Le dispositif ainsi formé présente une forme de prisme à base rectangulaire. La superposition des deux matériaux selon l'invention dopés de type n et de type p permet ainsi de réaliser une jonction n-p définie par l'interface 60. De préférence, le dispositif est obtenu par dépôt du matériau dopé de type n par le procédé selon l'invention suivi du dépôt du matériau dopé de type p sur le matériau dopé de type n par le procédé selon l'invention.
Bien évidemment, il est aussi envisageable de former un dispositif dans lequel le matériau dopé de type p est disposé sur le substrat et le matériau dopé de type n est disposé sur le matériau dopé de type n. La figure 7 illustre un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour la préparation d'un matériau comportant des oxydes de structure cristallographique perovskite. Il est à noter que préalablement à l'étape a), une couche de Sn02 ou de ZnO ou de TiO2 peut être déposée sur le substrat. A l'étape a), des précurseurs d'oxydes sont choisis pour obtenir un matériau comportant lesdits oxydes.
En particulier, les précurseurs peuvent être choisis parmi les oxydes et les composés organométalliques et leurs mélanges, et sont alors choisis de sorte à déposer aux étapes b) et c) des oxydes de structure perovskite.
Dans un mode de réalisation particulier, un précurseur de l'oxyde peut être constitué par l'oxyde lui-même. En variante, et notamment pour obtenir un oxyde de structure perovskite de formule générale AB03, des oxydes précurseurs de formule Ax0y et 13'O' avec x, x',y et y' étant des entiers tous supérieurs ou égaux à 1 peuvent être choisis, dès lors que la valence des éléments A, B et oxygène (0) permet de former un oxyde de structure perovskite AB03. A titre illustratif, pour former une solution solide comportant un oxyde perovskite de formule SrTiO3, on peut disposer à l'étape a) de Sr0 et de TiO2 aux titres de précurseurs de cet oxyde. En variante, on peut disposer à l'étape a) d'un précurseur formé par SrTiO3 lui-même. A l'étape b) (figure 7a), la première solution solide 80 constituée par le premier oxyde peut être obtenue par dépôt de précurseurs du premier oxyde sur le substrat 10, qui réagissent pour former le premier oxyde. En variante, il est possible de former une première solution solide comportant les premier et deuxième oxydes.
A l'étape c), la deuxième solution solide 85 peut être déposée sur la première solution solide, de façon à ce que la première solution solide soit prise en sandwich entre le substrat et la deuxième solution solide. On obtient ainsi un matériau formé d'un empilement de solutions solides sur un substrat orienté selon une direction d'assemblage A normale au substrat. Cet empilement est illustré sur la figure 7)b).
Alternativement, la deuxième solution solide 85 peut être déposée sur le substrat au contact de la première solution solide, selon une direction d'assemblage parallèle au substrat. Les étapes b) et c) sont menées de façon à ce que la concentration en deuxième oxyde de la deuxième solution solide soit supérieure à la concentration en deuxième oxyde de la première solution solide, et les gaps des première et deuxième solutions solides soient différents. De cette manière, le matériau formé par l'assemblage des première et deuxième solutions solides présente un gap continument croissant ou décroissant selon la direction d'assemblage. Il en va de même pour le paramètre de maille intermédiaire du matériau.
En déposant une succession de nouvelles solutions solides 90, et en adaptant les concentrations en oxyde, de préférence perovskite, au sein de chaque solution solide, on peut ainsi obtenir un matériau selon l'invention tel que décrit par exemple sur les figures 1 et 2. L'assemblage formé à l'étape c) par un empilement de solutions solides définit ainsi une solution solide des premier et deuxième oxydes, les première et deuxième solutions solides comportant les mêmes oxydes mais dans des concentrations différentes. Le procédé de fabrication peut notamment comporter une étape consistant à assembler sur la solution solide formée à l'étape c) et selon la direction d'assemblage, une autre solution solide comportant un troisième oxyde et le deuxième oxyde. Notamment, cette autre solution solide peut être obtenue en effectuant une succession d'étapes similaires à l'étape c), à ceci près que le premier oxyde est remplacé par le troisième oxyde. De cette manière, on peut ainsi fabriquer un matériau selon l'invention, par exemple tel que celui illustré sur les figures 3 et 4. Selon cette variante, pour obtenir un matériau dont le gap croit continument selon la direction d'assemblage, le troisième oxyde présente un gap supérieur au deuxième oxyde si le gap du deuxième oxyde est supérieur au gap du premier oxyde. Alternativement, le troisième oxyde présente un gap inférieur au gap du deuxième oxyde si le gap du deuxième oxyde est inférieur au gap du premier oxyde. De préférence, la formation des première, deuxième et le cas échéant troisième solutions solides peut être réalisée par une méthode choisie parmi l'ablation par laser pulsé (Pulsed Laser Deposition ou PLD en anglais), notamment en mode combinatoire (dualPLD en anglais), le dépôt de couches atomiques (Atomic Layer Deposition ou PLD en anglais), le dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Desposition ou CVD en anglais), le dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapor Deposition ou PVD en anglais), et la co-évaporation. Le dépôt de couches atomiques et l'ablation par laser pulsé sont les méthodes préférées. Notamment, la méthode du dépôt de couches atomiques peut être de type thermique ou assistée par plasma (Plasma Enhanced ALD en anglais). Elle peut aussi être de type par injection liquide (Liquid Injection ALD en anglais) de façon à favoriser la cristallisation des solutions solides.
Dans la variante où la méthode d'ablation par laser pulsé est mise en oeuvre, les précurseurs à l'étape a) sont de préférence sous forme oxyde. Dans la variante où la méthode de dépôt par couches atomiques est mise en oeuvre, les précurseurs à l'étape a) sont de préférence sous forme de composés organométalliques. Dans un mode de réalisation particulier, l'ablation par laser pulsé peut être mise en oeuvre en effectuant les étapes consistant à : i) disposer d'au moins trois cibles comportant des précurseurs oxydes de formule générale Ax0y, B(1),,,0y, et B(2),,,,0y,,, x, x', x", y, y' et y" étant des entiers tous supérieurs ou égaux à 1, lesdits précurseurs étant aptes à former par réaction chimique entre eux, de préférence par dépôt en phase vapeur, des oxydes cristallins de structure perovskite de formule générale AB(1)03 et ii) soumettre au moins deux des cibles à des impulsions laser, le nombre d'impulsions laser par cible étant défini de façon à former sur le substrat une première solution solide d'oxyde cristallin de formule générale de type avec u compris entre 0 et 1; iii) soumettre au moins deux des cibles à des impulsions laser, le nombre d'impulsions laser par cible étant défini de façon à former une deuxième solution d'oxyde cristallin de formule A(B (2)(1 -v)B (3 )v) 03, avec v compris entre 0 et 1, v étant supérieur à u, la deuxième solution solide étant contiguë à la première solution solide déposée à l'étape ii).
Par exemple, pour former le matériau selon illustré sur la figure 1, on peut mettre en oeuvre la méthode d'ablation par laser pulsé de la manière suivante. Au sein de la chambre d'un dispositif d'ablation à laser pulsé, on dispose une cible de Bi203, une cible de In203 et un substrat cristallin présentant un paramètre inférieure à 20 °A, de préférence inférieur à 5 % avec l'oxyde perovskite BiIn03.
Pour former une première solution solide sur le substrat, on irradie successivement pendant des durées identiques chacune des cibles de Bi203 et In203, de sorte à arracher de ces cibles les éléments constitutifs du plasma, tels que des radicaux libres et des ions. Le substrat étant placé en vis-à-vis du plasma, les éléments du plasma se réorganisent à la surface du substrat de sorte à former un dépôt sur le substrat d'oxyde BiIn03 de structure perovskite. On obtient ainsi une première solution solide de BiIn03 en surface du substrat.
Ensuite, les cibles de Bi203, 1n203 et Sc203 sont irradiées successivement à l'aide du faisceau laser, la durée d'irradiation de la cible Bi203 étant supérieure à la durée d'irradiation de la cible 1n203, qui est elle-même supérieure à la durée d'irradiation de la cible Sc203. De cette manière, le plasma généré par l'ablation des cibles comporte une concentration en Bi203 supérieure à la concentration en 1n203, elle-même supérieure à la concentration en Sc203. Ce plasma est ensuite déposé sur la première solution solide cristalline constituée de BiIn03. Les oxydes du plasma forment une solution solide de mailles élémentaires de BiIn03 et de BiSc03 qui croissent sur les mailles élémentaires de BiIn03 de la première solution solide. Les première et deuxième solutions solides définissent ainsi une solution solide de BiIn03 et de BiSc03 au sein de laquelle les concentrations de BiIn03 et de BiSc03, mesurées selon la direction d'assemblage évoluent en sens opposé l'une de l'autre Ainsi, selon la direction de dépôt normale au substrat, en partant du substrat vers la surface libre de la deuxième solution solide, la concentration en mailles élémentaires de BiIn03 diminue et la concentration en mailles élémentaires de BiSc03 augmente. Le processus de dépôt de solution solide est réitéré en modifiant les durées d'exposition du faisceau laser sur les cibles 1n203 et Bi203 de façon à obtenir une concentration de mailles élémentaires de 1n203 et de Sc203 décroissante et croissante respectivement à chaque dépôt d'une nouvel solution solide. Pour obtenir la dernière solution solide de l'empilement, constituée de mailles de BiSc03, seules les cibles de Bi203 et Sc203 sont irradiées. On fabrique ainsi un matériau selon l'invention tel qu'illustré sur la figure 1, constitué d'une solution solide d'oxydes de structure perovskite BiIn03 et BiSc03.
Pour fabriquer un matériau tel que décrit sur la figure 3 comportant une succession de solutions solides d'oxydes différents, on peut par exemple disposer, au sein de la chambre du dispositif d'ablation par laser pulsé, une cible de Ga203 et une cible de A1203 en plus des cibles décrites ci-dessus. Sur la solution solide Si d'oxydes de BiIn03 et BiSc03 décrite ci-dessus, on peut alors former par ablation par laser pulsé, des solutions solides comportant BiSc03 et BiGa03 en irradiant successivement les cibles de Bi203, 5c203 et Ga203, comme décrit ci-dessus. On peut former ainsi une solution solide S2 d' oxydes Bi Sc03 et BiGa03 Ainsi, les solutions solides Si (de BiIn03 et BiSc03) d'une part et S2 (de BiSc03 et BiGa03) d'autre part, disposées l'une sur l'autre comportent toutes deux l'oxyde BiSc03 en commun. Finalement, sur la solution solide S2 de BiSc03 et BiGa03, on peut aussi former par ablation par laser pulsé, des solutions solides comportant BiGa03 et BiA103 en irradiant successivement les cibles de Bi203, Ga203 et A1203. On peut former ainsi une solution solide S3 d'oxydes BiGa03 et BiA103 Ainsi, les solutions solides S2 (de BiSc03 et BiGa03) d'une part et S3 (de BiGa03 et BiA103) d'autre part, disposées l'une sur l'autre comportent toutes deux l'oxyde BiGa03 en commun. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation fournis à titre d'exemples.
Références [Stan] M. Stan et al., Journal of Crystal Growth, vol. 310, num. 23, pages 5204- 5208, 2008 [Mukherj] A. Mukherji, The Journal of Physical Chemistry, vol. 115, pages 15674- 515678, 2011.
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Matériau (5) ceistallin et absorbant à l'égard d'un rayonnement, formé au moins en partie de mailles élémentaires d'un premier oxyde (15) et de mailles élémentaires d'un deuxième oxyde (20) différent du premier oxyde, deux mailles tlémentaires contiguës présentant un désaccord de maille inférieur à 20 %, de préférence inférieur à 5 %, et ledit matériau présentant un gap croissant continûment de part en part selon au moins une direction X.
- 2. Matériau selon la revendication précédente, dans lequel les mailles 10 élémentaires d'un des oxydes sont colles d'une structure perovskite de formule générale AB03.
- 3. Matériau selon la revendtestion précédente, dans lequel - l'élément A est choisi dans le groupe constitué par l'hydrogène (H), le potassium (K), le cuivre (Cu), le lithium (Li), l'argent (Ag) et l'or (Au) et 15 l'élément B est chobi date le groupe formé par le bismuth (Bi), l'antimoine (Sb), le niobium (Nb), le vanadium (V), Ou l'élément A est choisi dans le groupe founé par le calcium (Ca), le baryum (Ba), le strontium (Sr), le plomb (Pb) e,t l'élément B est choisi dans le 20 groupe forme; par le titane (Ti), k zirconium (a.), le ruthénitmi (Ru), le molybdène (Mo) et le rhodium (Riv, ou l'élément A est choisi dans le groupe formé par le lanthane (La), k bismuth (Bi), le eérium (Ce), le néodyme (Nd), le samarium (Sm), l'europium (EU), 25 le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprositun (Dy), le praséodyme (Pr), l'holmium (Ho), l'erbium (Fr). l'ytterbium (Yb) et le lutécium (Lu) et l'élément B est choisi dans le groupe formé par l'aluminium (Al), le chrome (Cr), le for (Fe), le gallium ((la), l'indium (In), le scandium (Se) et la manganèse (Mn). 30
- 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel toutes les mailles élémentaires sont des mailles élémentaires de st:mem perovskite. 3 03 0 5 82 22
- 5. Matériau selon la revendication précédente. dans lequel les mailles élémenteiree forment une zolution 6, Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un paramètre de maille intermédiaire du matériau cristallin croît continûment de part 5 en part du matériau selon au moins une direction, 7. Matériau selon la revendication précédente, dans lequel la variation de paramètre de maille intermédiaire, mesurée le long d'un segment traversant le maiériau de part en part est supérieure à 20 %. 8, Matériau selon la revendication précédente, dans lequel la direction de 10 croissance du paramètre de mollie intermédiaire est parallèle, à la direction X de croissance du L.,,ap, 9. Matériau scion l'une quelconque des r.v'ndleatk,ns précMentes, se présentant sous !a forme d'une couche. 10. Matériau selon l'une quelconque des revendieations précédentes, dans 15 lequel le gap croît continûment entre 0,25 eV et 3,20 eV. 11. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une maille élémentaire d'une structure perovskite de iormule BiIn03 eg contigtle à une maille elémentaire d'une structure pérovskite de formule 20 BiSc03 et/oe mie maille élémentaire d'une structure perovskite de formule BiSe0, est contiglie à une maille élémentaire d'une structure pérovskite de formule Biria0.1 25 et/ou - une maille élémentaire d'une structure perovskite de formule BiCra03 est contigtie à mie maille élémentaire d'une structure perovskite de formule 13iA103. 12. Procédé de fabrication d'un matériau comperteen un assemblage de 30 première et deuxième solutions solides, consistant à mettre en ceuvre les étapes successivee suivantes :a) disposer d'un substrat et de précurseurs de premier et deuxième oxydes, lesdits oxydes présentant des gaps différents et un désaccord de maille inférieur à 20 %, de préférence inférieur à 5 %, b) déposer en surface du substrat au moins le premier oeyde par réaction du ou des précurseurs dudit oxyde, de façon à former la première solution solide (80), e) former selon une direction d'assemblage X, de préférence normale ou parallèle au substrat, et au contact de la première solution solide lesdits oxydes par réaetion des précurseurs desdits oxydes, de façon assembler la deuxième solution solide (85) avec la première solution solide, les étapes b) et c) étant menées de façon à ce que la concentration en deuxième oxyde de la deuxième solution solide soit supérieure à la concentration en deuxième oxyde de la première solution solide, et les gaps des première et deuxième solutions solides soient différents, k matériau obtenu à l'étape c) étant selon l'une quelconque des revendication:, 1 à11. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel à l'étape a), les précurseurs des premier et deuxième oxyde sont choisis de façon à former aux étapes le) et c) des oxydes de structure perovskite. 14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 à 13, mportant 90 une étape consistant à former sur l'assemblage formé en fin d'étape c) et selon la direction d'assemblage, une solution solide comportant un troisième oxyde et le deuxième oxyde. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel le troisième oxyde est déterminé de sorte à présenter un gap supérieur au deuxième oxyde si le gap du deuxième oxyde est supérieur au gap du premier oxyde, ou est déterminé de sorte à présenter un fere 25 inférieur au gap du deuxième oxyde si le gap du deuxième oxyde est inférieur au gap du premier oxyde. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel l'assemblage des première, deuxième et le cas échéant troisième solutions solides est réalisée avec une méthode choisie parmi l'ablation par laser pulsé, le dépôt de couches 30 atomiques, le dépôt chimique ea phase Imper, le dépôt physique en phase vapeur et la coe évaporation. 3 03 0 5 82 - 24 17. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la méthode d'ablation par laser pulsé est mise en oeuvre en effectuant les étapes consistant à: i) disposer d'au moins trois cibles comportant des précurseurs oxydes de formule générale Ax0y, 13(1)x.0y, et Bee-)x"Oy-, X, Xe, X", y, y' et y" étant des 5 entiers tous supérieurs ou égaux à 1.1esdits précurseurs étant aptes à former par réaction chimique entre çux, de préférence par dépôt en phase vapeur, des oxydes cristallins de structure perovslcite de formule générale A.13(1)03 et A13(2)03; ii) soumettre au 1110/D4 deux des cibles A dos izrapulsiors laser, le nombre 10 d'impulsions laser par cible étant défini de fan à ftemer sur le substrat une première couche d'oxyde cristallin de formule genérale de type A(B(2)0. toB(3)1,103, avec u compris entre 0 et 1; iii) soumettre au moins deux des cibles à des impulsions laser, le nombre d'impulsions laser par cible étant défini de façon 4 former une deuxième 15 couche d'oxyde cristallin de formule Arle2)0-43(3)viO3, avec y compris entre 0 et 1, y étant supérieur à u, la deirdème couche étant condgue à la première couche clémée à l'étape il). 18. Dispositif cotriportant un matériau selon l'une quelconque des revendieations 1 à 11 et/ou obtenu par le wocédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, de préférence ehoisi parmi une cellule photovoltaïque, une cellule de mesure de la lumière, par exemple dans l'infrarouge, une cam4ra de mesure thermique, un détecteur d'incendie.
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