FR3045946A1 - ALLOY (LI-CU, ZN, SN, SE, S) FOR PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne la fabrication d'une cellule photovoltaïque comprenant un composant photovoltaïque actif. En particulier, le composant précité comporte du lithium dans un alliage (LixCu1-x)2ZnSnS4, dans lequel l'élément S est du soufre et/ou du sélénium. L'incorporation de lithium dans un tel alliage permet d'augmenter la largeur de bande interdite et de diminuer les effets du désordre (Cu,Zn) dans cet alliage. Il en résulte un matériau de choix dans les applications photovoltaïques, par exemple dans une cellule top, en tandem avec une cellule bottom de silicium notamment.The invention relates to the manufacture of a photovoltaic cell comprising an active photovoltaic component. In particular, the above-mentioned component comprises lithium in an alloy (LixCu1-x) 2ZnSnS4, in which the element S is sulfur and / or selenium. The incorporation of lithium in such an alloy makes it possible to increase the band gap and to reduce the effects of the disorder (Cu, Zn) in this alloy. This results in a material of choice in photovoltaic applications, for example in a top cell, in tandem with a silicon bottom cell in particular.

Description

ALLIAGE (Li-Cu.Zn.Sn.Se.SI POURALLOY (LICU.Zn.Sn.Se.SI FOR

APPLICATIONS PHOTO VOLTAÏQUES ET PROCEDE DE FABRICATIONPHOTO VOLTAIC APPLICATIONS AND METHOD OF MANUFACTURE

ASSOCIE L’invention se situe dans le domaine des matériaux à propriétés photovoltaïques, notamment pour la conception de cellules solaires.The invention is in the field of materials with photovoltaic properties, especially for the design of solar cells.

Les besoins de la filière de production d’énergie photovoltaïque visent : - une baisse des coûts de production des panneaux solaires, - une hausse des rendements de conversion, et - une production à grande échelle.The needs of the photovoltaic energy production sector are: - a decrease in the production costs of solar panels, - a rise in conversion efficiency, and - a large scale production.

Le marché du photovoltaïque est très largement dominé par des technologies basées sur le silicium avec des performances techniques remarquables, très proches de leur limite théorique. La technologie, dite en couches minces, basée sur des matériaux à haut potentiel photovoltaïque (Cu(In,Ga)Se2 ou CdTe) présente des performances très intéressantes en laboratoire sur petite surface avec des rendements de conversion proches de ceux des technologies silicium. Toutefois, du fait des rendements de conversion (sur grande surface) relativement réduite et d’un approvisionnement en éléments rares (In, Ga et Te), la production à grande échelle reste encore aléatoire.The photovoltaic market is largely dominated by silicon-based technologies with remarkable technical performance, very close to their theoretical limit. The so-called thin-film technology, based on materials with high photovoltaic potential (Cu (In, Ga) Se2 or CdTe), presents very interesting performances in a small-scale laboratory with conversion efficiencies close to those of silicon technologies. However, because of relatively small conversion efficiencies (over large area) and a supply of rare elements (In, Ga and Te), large-scale production is still uncertain.

Une augmentation des rendements de conversion des cellules solaires des technologies en couches minces ou des cellules solaires à base de silicium, est encore recherchée.An increase in conversion efficiencies of solar cells of thin-film technologies or silicon-based solar cells is still sought.

Selon une approche de l’invention, il est proposé un matériau chalcogénure absorbant efficacement la lumière et constitué d’éléments abondants (Cu, Li, Zn, Sn et S).According to one approach of the invention, it is proposed a chalcogenide material effectively absorbing light and consisting of abundant elements (Cu, Li, Zn, Sn and S).

On peut ainsi augmenter la production d’énergie, diminuer la contrainte d’approvisionnement en éléments rares et finalement diminuer le coût de l’énergie produite.This can increase energy production, reduce the supply constraint of rare elements and ultimately reduce the cost of energy produced.

La technologie en couches minces à base du matériau abondant Cu2ZnSn(Se,S)4 (appelé communément « CZTS ») présente des rendements de conversion records très inférieurs, avec η=12.6%, à ceux observés sur les matériaux de type Cu(In,Ga)Se2 (ou « CIGS ») et CdTe pour lesquels η=21%.Thin-film technology based on the abundant Cu2ZnSn (Se, S) 4 material (commonly referred to as "CZTS") has significantly lower conversion efficiencies, with η = 12.6%, than those observed for Cu (In) materials. , Ga) Se2 (or "CIGS") and CdTe for which η = 21%.

Les performances relativement faibles du CZTS (η record à 12.6%) sont liées à la complexité de son diagramme de phase et également à la présence d’un désordre (Cu,Zn) très important. Ce désordre est dû à l’occupation aléatoire d’un site par Cu ou Zn dans la structure cristallographique de ce matériau. Le désordre est responsable d'un déficit de la tension de circuit ouvert pouvant aller jusqu’à 30% de la largeur de bande interdite. Les faibles performances de cette technologie rendent cette solution peu attractive pour l'instant. Cependant, elle présente l’avantage de n’être constituée que d’éléments abondants alors que la production de CIGS (Cu, In, Ga, Se) et CdTe à grande échelle (au-delà de 20 GW annuels) peut être entravée par la rareté de certains de leurs éléments constitutifs (In, Te ou Se) et le prix de ces éléments.The relatively low performances of the CZTS (η record at 12.6%) are related to the complexity of its phase diagram and also to the presence of a very important disorder (Cu, Zn). This disorder is due to the random occupation of a site by Cu or Zn in the crystallographic structure of this material. The disorder is responsible for a deficit of the open circuit voltage of up to 30% of the forbidden bandwidth. The poor performance of this technology makes this solution unattractive at the moment. However, it has the advantage of being composed only of abundant elements whereas the production of CIGS (Cu, In, Ga, Se) and CdTe on a large scale (beyond 20 GW annual) can be hampered by the rarity of some of their constituent elements (In, Te or Se) and the price of these elements.

Une autre solution consiste à améliorer la technologie Si en lui adjoignant une technologie en couches minces formant ainsi une cellule solaire dite « tandem ». Une cellule tandem est constituée : - d’une cellule dite « bottom » (avec un composant photovoltaïque actif), et - d’une cellule dite « top » (avec un autre composant photovoltaïque actif), située du côté de la face avant de la cellule et disposée (directement ou indirectement) sur la cellule bottom.Another solution is to improve the Si technology by adding a thin film technology forming a solar cell called "tandem". A tandem cell consists of: - a cell called "bottom" (with an active photovoltaic component), and - a cell called "top" (with another active photovoltaic component), located on the front side of the cell. the cell and arranged (directly or indirectly) on the bottom cell.

Les cellules tandem offre l’avantage de présenter un rendement limite théorique de 46% à comparer au rendement limite théorique des cellules classiques silicium ou en couches minces à 33%.The tandem cells offer the advantage of having a theoretical limit yield of 46% compared to the theoretical limit yield of conventional silicon cells or in thin layers at 33%.

En considérant une cellule dite « bottom » faite de Si (avec une largeur de bande interdite de 1,1 eV), il a été montré que la cellule « top » (située du côté de la face avant de la cellule et disposée directement ou indirectement sur la cellule bottom) devait être constituée d’un matériau absorbant ayant une largeur de bande interdite Eg de 1,7 eV. Il est également à noter que l’intégration d’une cellule « top » à base de CZTS nécessite que celle-ci atteigne des performances suffisamment importantes pour ne pas détériorer les performances de la cellule tandem.Considering a so-called "bottom" cell made of Si (with a band gap of 1.1 eV), it has been shown that the cell "top" (located on the side of the front face of the cell and arranged directly or indirectly on the bottom cell) should consist of an absorbent material having a band gap Eg of 1.7 eV. It should also be noted that the integration of a "top" cell based on CZTS requires that it reaches sufficiently high performance not to deteriorate the performance of the tandem cell.

Le matériau CZTS, qui a été proposé pour composer la cellule top, présente l’avantage d’avoir un accord de maille cristalline avec le silicium. Il peut donc être déposé sur un substrat (ou un « wafer ») de silicium sans créer de défauts cristallins à l’interface (dislocations notamment). Cependant, sa largeur de bande interdite est trop faible pour atteindre l’optimum de rendement de conversion. La largeur de bande interdite est au maximum Eg=1.5eV, avec du soufre et pas de sélénium dans la composition Cu2ZnSnS4. En ajoutant du sélénium à la place du soufre, la valeur Eg obtenue est encore plus petite. Par ailleurs, le désordre (Cu, Zn) dégrade ses performances.The CZTS material, which has been proposed to compose the top cell, has the advantage of having a crystal lattice bond with silicon. It can therefore be deposited on a substrate (or a "wafer") of silicon without creating crystalline defects at the interface (dislocations in particular). However, its bandgap width is too small to achieve optimum conversion efficiency. The band gap is at most Eg = 1.5eV, with sulfur and no selenium in the composition Cu2ZnSnS4. By adding selenium instead of sulfur, the Eg value obtained is even smaller. Moreover, the disorder (Cu, Zn) degrades its performances.

La présente invention vient améliorer la situation.The present invention improves the situation.

Elle propose à cet effet un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque comprenant un composant photovoltaïque actif. En particulier, ce composant comporte du lithium dans un alliage (LixCui_x)2ZnSnS4, dans lequel l’élément S est du soufre ou du sélénium, ou un mélange de ces éléments.It proposes for this purpose a method of manufacturing a photovoltaic cell comprising an active photovoltaic component. In particular, this component comprises lithium in an alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4, in which the element S is sulfur or selenium, or a mixture of these elements.

Ainsi, l’invention propose d’ajouter une proportion de lithium au matériau CZTS présenté ci-avant. Il a été observé que l’incorporation de lithium dans un tel alliage permet avantageusement d’augmenter la largeur de bande interdite et de diminuer les effets du désordre (Cu,Zn) dans cet alliage. Il en résulte un matériau de choix dans les applications photovoltaïques, par exemple dans une cellule top, en tandem avec une cellule bottom de silicium notamment.Thus, the invention proposes to add a proportion of lithium to the CZTS material presented above. It has been observed that the incorporation of lithium in such an alloy advantageously makes it possible to increase the forbidden bandwidth and to reduce the effects of the disorder (Cu, Zn) in this alloy. This results in a material of choice in photovoltaic applications, for example in a top cell, in tandem with a silicon bottom cell in particular.

Préférentiellement, la proportion de lithium (avec x=Li/(Cu+Li)) dans l’alliage (LixCui-x)2ZnSnS4 est supérieure à 20% et inférieure à 40% de sorte à obtenir une largeur de bande interdite de l’alliage de valeur comprise entre 1,7 eV et 2 eV.Preferably, the proportion of lithium (with x = Li / (Cu + Li)) in the alloy (LixCui-x) 2ZnSnS4 is greater than 20% and less than 40% so as to obtain a forbidden band width of the alloy value between 1.7 eV and 2 eV.

Une valeur de bande interdite de 1,7 eV peut notamment être obtenue pour une quantité x de lithium de 0,25 dans un alliage dans lequel l’élément S est du soufre. Le remplacement partiel de soufre par du sélénium permet de diminuer la largeur de bande interdite de l’alliage, de sorte qu’une proportion de lithium dans l’alliage entre 20% et 40% permet d’obtenir des largeurs de bande interdite comprises typiquement entre 1,7 eV et 2 eV, particulièrement adaptées pour des applications en tandem avec une autre couche active photovoltaïque.In particular, a band gap value of 1.7 eV can be obtained for an amount x of lithium of 0.25 in an alloy in which the element S is sulfur. The partial replacement of sulfur with selenium makes it possible to reduce the bandgap width of the alloy, so that a proportion of lithium in the alloy between 20% and 40% makes it possible to obtain bandgap widths that are typically understood between 1.7 eV and 2 eV, particularly suitable for applications in tandem with another active photovoltaic layer.

Comme évoqué ci-avant, le remplacement du soufre par du sélénium a tendance à réduire la largeur de la bande interdite de l’alliage. Un alliage ne comprenant pas de lithium et du sélénium en guise d’élément S a typiquement une bande interdite de 1,1 eV, contre une valeur de bande interdire de 1,5 eY pour un alliage ne comprenant pas de lithium et comprenant du soufre en guise d’élément S. Ainsi, la proportion relative de soufre et de sélénium dans l’alliage permet d’ajuster la valeur de la bande interdite du composé en plus de la quantité x de lithium.As mentioned above, the substitution of sulfur with selenium tends to reduce the width of the forbidden band of the alloy. An alloy containing no lithium and selenium as S element typically has a band gap of 1.1 eV, against a band gap of 1.5 eY for an alloy comprising no lithium and including sulfur as an element S. Thus, the relative proportion of sulfur and selenium in the alloy makes it possible to adjust the value of the forbidden band of the compound in addition to the quantity x of lithium.

Dans une forme de réalisation, le composant peut comporter une couche dudit alliage en tant que couche photovoltaïque active (absorbeur).In one embodiment, the component may include a layer of said alloy as an active photovoltaic layer (absorber).

Dans une variante, le composant peut comporter une couche dudit alliage en tandem avec une autre couche (éventuellement séparées par une couche de jonction à effet tunnel). Cette autre couche peut comporter par exemple du silicium (typiquement une galette (ou « wafer ») de silicium (matériau massif ou « bulk »), sur laquelle est déposée (directement ou indirectement) la couche dudit alliage). Une telle réalisation est avantageuse pour une largeur de bande interdite du silicium de 1,1 eV, optimale pour être utilisée dans une cellule photovoltaïque de type tandem avec une couche de largeur de bande interdite de 1,7 eV déposée au-dessus (en « top »).Alternatively, the component may include a layer of said alloy in tandem with another layer (optionally separated by a tunneling junction layer). This other layer may comprise for example silicon (typically a wafer (or "wafer") of silicon (bulk material or "bulk"), on which is deposited (directly or indirectly) the layer of said alloy). Such an embodiment is advantageous for a silicon bandgap of 1.1 eV, which is optimal for use in a tandem type photovoltaic cell with a bandwidth layer of 1.7 eV deposited above (in top ").

Il s’avère alors que l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 présente avantageusement une largeur de bande interdite croissante avec la proportion de lithium x. Cette largeur de bande interdite de la couche d’alliage peut atteindre 1,8 eV, voire 2 eV typiquement si l’élément S est du soufre. Dans une réalisation, la largeur de bande interdite de la couche d’alliage est alors comprise entre 1,5 et 2 eV. Préférentiellement la largeur de bande interdite est comprise entre 1,7 eV et 2 eV, notamment pour des applications en tandem avec une autre couche.It turns out that the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4 advantageously has an increasing forbidden bandwidth with the proportion of lithium x. This band gap width of the alloy layer can reach 1.8 eV or 2 eV typically if the element S is sulfur. In one embodiment, the bandgap width of the alloy layer is then between 1.5 and 2 eV. Preferably the bandgap is between 1.7 eV and 2 eV, especially for applications in tandem with another layer.

Dans une exemple de réalisation, la fabrication du composant photovoltaïque actif peut comprendre au moins une étape de pulvérisation de constituants de l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 sur un substrat et une étape de recuit, le recuit étant réalisé en présence de l’élément S et d’une couche d’un composé comprenant du lithium. L’étape de recuit, typiquement réalisée sous une atmosphère de l’élément S, permet alors non seulement d’organiser les différents éléments déposés par pulvérisation cathodique sur le substrat en vue de créer le composant photovoltaïque actif, mais également de faire diffuser le lithium depuis la couche du composé comprenant le lithium vers la couche précurseur de CZTS. La couche du composé comprenant le lithium peut typiquement être une couche de LiF ou bien une couche d’un mélange CuxLii.x et/ou LixSny.In an exemplary embodiment, the manufacture of the active photovoltaic component may comprise at least one step of spraying constituents of the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 on a substrate and an annealing step, the annealing being carried out in the presence of the element S and a layer of a compound comprising lithium. The annealing step, typically carried out under an atmosphere of the element S, then makes it possible not only to organize the various elements deposited by cathodic sputtering on the substrate in order to create the active photovoltaic component, but also to diffuse the lithium from the layer of the compound comprising lithium to the CZTS precursor layer. The layer of the compound comprising lithium can typically be a LiF layer or a layer of a CuxLii.x and / or LixSny mixture.

Selon un mode de réalisation, l’étape de pulvérisation peut être une pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique choisis parmi les composés élémentaires cuivre Cu, zinc Zn et étain Sn, ou bien des alliages de ces composés avec l’élément S : CuS, ZnS, SnS, le procédé pouvant en outre comprendre le dépôt d’une couche de fluorure de lithium LiF.According to one embodiment, the sputtering step can be a cathodic sputtering of compounds of the columns IB, IIB or IVA of the periodic table chosen from the elemental compounds Cu, zinc Zn and tin Sn, or alloys of these compounds with the element S: CuS, ZnS, SnS, the process may further comprise the deposition of a layer of lithium fluoride LiF.

Le dépôt par pulvérisation de cuivre, zinc et étain sur un substrat peut être réalisé simultanément ou séquentiellement. Les proportions de cuivre, zinc et étain sont typiquement choisies de sorte à prévoir une stœchiométrie désirée pour l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4, afin que le lithium puisse diffuser dans le précurseur de CZTS vers le sites inoccupés par le cuivre déficitaire.Sputtering of copper, zinc and tin on a substrate can be performed simultaneously or sequentially. The proportions of copper, zinc and tin are typically chosen so as to provide a desired stoichiometry for the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4, so that the lithium can diffuse into the CZTS precursor to sites unoccupied by the deficit copper.

Dans un mode de réalisation, la couche de fluorure de lithium LiF peut être déposée sur le substrat avant l’étape de pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.In one embodiment, the lithium fluoride LiF layer may be deposited on the substrate before the cathodic sputtering step of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table.

Alternativement, la couche de fluorure de lithium LiF est déposée après l’étape de pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, ΠΒ ou IVA du tableau périodique.Alternatively, the lithium fluoride LiF layer is deposited after the cathodic sputtering step of compounds of columns IB, ΠΒ or IVA of the periodic table.

En choisissant la position de la couche de LiF par rapport au précurseur CZTS, il est possible de maîtriser plus finement la répartition du lithium dans l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4. En effet, pour une durée de recuit couramment utilisée typiquement comprise entre 30 minutes et deux heures, pour des températures de recuit comprises entre 450°C et 600°C, la dynamique de diffusion du lithium conduit généralement à l’obtention d’un alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 présentant un gradient en lithium dans l’épaisseur de couche de l’alliage.By choosing the position of the LiF layer relative to the CZTS precursor, it is possible to control more finely the distribution of lithium in the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4. Indeed, for a commonly used annealing time typically between 30 minutes and two hours, for annealing temperatures between 450 ° C and 600 ° C, the diffusion dynamics of lithium generally leads to obtaining an alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 having a lithium gradient in the layer thickness of the alloy.

Si la diffusion s’effectue depuis la couche supérieure du précurseur, l’alliage (LixCui-x)2ZnSnS4 aura tendance à avoir un gradient de teneur en lithium croissant depuis la couche supérieure du précurseur vers le substrat. Inversement, une diffusion depuis la couche inférieure du précurseur, proche du substrat, aura tendance à créer un alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 possédant un gradient de teneur en lithium décroissant depuis la couche supérieure du précurseur vers le substrat.If diffusion occurs from the precursor top layer, the alloy (LixCui-x) 2ZnSnS4 will tend to have a lithium content gradient increasing from the top layer of the precursor to the substrate. Conversely, diffusion from the lower layer of the precursor, close to the substrate, will tend to create an alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 having a decreasing lithium content gradient from the upper layer of the precursor to the substrate.

Un gradient de teneur en lithium entre les couches supérieure et inférieure de l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 permet d’augmenter les performance électriques du composant photovoltaïque actif. Ces performances électriques accrues résultent notamment de l’effet barrière aux trous de l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4. Le gradient de teneur en lithium conduit à une évolution progressive en épaisseur de l’effet barrière aux trous entre les couches supérieure et inférieure de l’alliage (LixCui-x)2ZnSnS4.A gradient of lithium content between the upper and lower layers of the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4 makes it possible to increase the electrical performance of the active photovoltaic component. These increased electrical performance results in particular from the barrier effect to the holes of the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4. The lithium content gradient leads to a gradual evolution in the thickness of the barrier effect at the holes between the upper and lower layers of the alloy (LixCui-x) 2ZnSnS4.

Selon un mode de réalisation, la pulvérisation peut être une co-pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, ΠΒ ou IVA du tableau périodique.According to one embodiment, the sputtering may be a co-sputtering of compounds of columns IB, ΠΒ or IVA of the periodic table.

Alternativement, la pulvérisation peut être une pulvérisation séquentielle cathodique de composés des colonnes IB, ΠΒ ou IVA du tableau périodique.Alternatively, the sputtering may be a cathodic sequential sputtering of compounds of columns IB, ΠΒ or IVA of the periodic table.

Notamment, la couche de fluorure de lithium LiF peut être déposée entre deux séquences de pulvérisation de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.In particular, the lithium fluoride LiF layer can be deposited between two sputtering sequences of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table.

La position de la couche de LiF source de diffusion du lithium dans l’alliage, permet d’ajuster les propriétés du gradient de teneur en lithium dans l’alliage (LixCui-x)2ZnSnS4 réalisé.The position of the lithium diffusing LiF source layer in the alloy makes it possible to adjust the properties of the lithium content gradient in the alloy (LixCui-x) 2ZnSnS4 produced.

Selon un autre mode de réalisation, l’étape de pulvérisation peut être une copulvérisation cathodique de cibles d’éléments stables comprenant du zinc Zn, du cuivre Cu et de l’étain Sn et en ce que la couche du composé comprenant du lithium est réalisée pendant l’étape de pulvérisation à partir d’une cible d’au moins un alliage choisi parmi LixSny et CuxLii.x.According to another embodiment, the sputtering step may be a cathodic co-sputtering of stable element targets comprising zinc Zn, copper Cu and tin Sn and in that the layer of the compound comprising lithium is produced during the step of spraying from a target of at least one alloy selected from LixSny and CuxLii.x.

Dans cette variante de réalisation, le lithium est présent au sein même du précurseur de CZTS avant recuit, dans un composé comprenant de l’étain du cuivre ou une combinaison de cuivre et d’étain.In this variant embodiment, the lithium is present within the precursor of CZTS before annealing, in a compound comprising copper tin or a combination of copper and tin.

Selon un mode de réalisation, la couche du composé comprenant du lithium peut être obtenue pendant l’étape de pulvérisation à partir d’une cible comprenant un alliage de LixSny et une cible d’un alliage de CuxLii_x contrôlées selon des paramètres différents. L’utilisation de deux sources de lithium distinctes dans un procédé de dépôt par pulvérisation permet de mieux contrôler la quantité de lithium déposée en appliquant par exemple des puissances différentes à chaque cible comprenant la source de lithium.According to one embodiment, the layer of the compound comprising lithium can be obtained during the sputtering step from a target comprising a LixSny alloy and a target of a CuxLii_x alloy controlled according to different parameters. The use of two separate lithium sources in a sputter deposition process makes it possible to better control the amount of lithium deposited by applying, for example, different powers to each target comprising the lithium source.

Selon un mode de réalisation, la couche du composé comprenant du lithium peut avoir une épaisseur 20 à 10 fois plus petite que l’épaisseur du composant photovoltaïque actif en un alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 réalisé.According to one embodiment, the layer of the compound comprising lithium may have a thickness 20 to 10 times smaller than the thickness of the active photovoltaic component in an alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 produced.

La diffusion du lithium depuis une couche de LiF ou bien depuis un précurseur comprenant des composés à base de lithium conduit à un réagencement des composés dans le précurseur et la disparition de la couche de LiF ou du composé à base de lithium initial. La quantité x de lithium de l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 réalisé peut ainsi être contrôlée à partir du ratio entre l’épaisseur de la couche d’alliage réalisée et de l’épaisseur de la couche contenant du lithium initiale.The diffusion of lithium from a LiF layer or from a precursor comprising lithium-based compounds leads to a rearrangement of the compounds in the precursor and the disappearance of the LiF layer or the initial lithium-based compound. The quantity x of lithium of the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 produced can thus be controlled from the ratio between the thickness of the alloy layer produced and the thickness of the initial lithium-containing layer.

Ensuite, l’alliage obtenu après recuit peut être ramené à température ambiante par simple refroidissement naturel (ou quasi-naturel), prenant typiquement moins de cinq heures pour une couche de l’ordre d’un micromètre d’épaisseur, ce qui rend ce matériau compatible avec une fabrication à l’échelle industrielle (contrairement au CZTS refroidi lentement pour améliorer ses performances).Then, the alloy obtained after annealing can be brought back to room temperature by simple natural cooling (or near-natural), typically taking less than five hours for a layer of the order of one micrometer thick, which makes this material compatible with manufacturing on an industrial scale (unlike CZTS cooled slowly to improve its performance).

La présente invention vise aussi une cellule photovoltaïque, comprenant un composant photovoltaïque actif comportant du lithium dans un alliage (LixCui_x)2ZnSnS4, dans lequel l’élément S est du soufre ou du sélénium, ou un mélange de ces éléments.The present invention also relates to a photovoltaic cell, comprising an active photovoltaic component comprising lithium in an alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4, in which the element S is sulfur or selenium, or a mixture of these elements.

Notamment, la quantité x de lithium dans l’alliage est comprise entre 0,2 et 0,4, de sorte à obtenir une largeur de bande interdite de l’alliage de valeur comprise entre 1,7 eV et 2 eV. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation donnés ci-après à titre d'exemples, et à l'examen des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente une structure këstérite, quadratique, pour le matériau (LixCui_x)2ZnSnS4, ce matériau conservant cette structure quadratique pour x allant jusqu’à environ 40%, - la figure 2 représente une structure wurtz-kësterite (analogue quaternaire de la wurtzite), pour le matériau (LixCui.x)2ZnSnS4, où x est supérieur à environ 60%, - la figure 3 montre l’augmentation de la largeur de bande interdite (ou « gap ») en fonction de x dans le matériau (LixCui.x)2ZnSnS4 (dans lequel S est ici du soufre), l’augmentation du gap ayant été estimée théoriquement par la théorie de la fonctionnelle de la densité (ou « DFT », pour « Density Functional Theory »), - la figure 4 compare les largeurs de raies RMN de l’étain 119Sn caractérisant le désordre (Cu, Zn) : o dans le matériau de l’art antérieur Cu2ZnSnS4 obtenu à haute température avec un refroidissement lent ensuite (environ -10°C/h pendant au moins 24 heures) (courbe CZTS(S)), o dans le matériau de l’art antérieur Cu2ZnSnS4 obtenu à haute température et suite à un refroidissement rapide ensuite (courbe CZTS(N)), o dans le matériau (LixCui_x)2ZnSnS4 qu’utilise la présente invention (raie pertinente entourée par des traits pointillés), avec un refroidissement ici à environ -100°C/h (environ cinq heures), et une composition telle que x=25% (courbe Li-CZTS), - la figure 5A montre un premier exemple d’application du matériau (LixCui.x)2ZnSnS4 dans une cellule photovoltaïque, en tant que couche photovoltaïque active, - la figure 5B montre un deuxième exemple d’application du matériau (LixCui_x)2ZnSnS4 dans une cellule photovoltaïque, en tant que couche d’une cellule « top » d’une structure tandem avec du silicium en cellule « bottom », - la figure 6 illustre schématiquement un exemple de procédé de fabrication d’une couche mince de (LixCui_x)2ZnSnS4.In particular, the quantity x of lithium in the alloy is between 0.2 and 0.4, so as to obtain a forbidden bandwidth of the value alloy of between 1.7 eV and 2 eV. Other advantages and characteristics of the invention will appear on examining the detailed description of embodiments given hereinafter by way of examples, and on examining the drawings in which: FIG. 1 represents a structure keratite, quadratic, for the material (LixCui_x) 2ZnSnS4, this material retaining this quadratic structure for x up to about 40%; - Figure 2 represents a wurtz-kesterite structure (quaternary analogue of wurtzite), for the material ( LixCui.x) 2ZnSnS4, where x is greater than about 60%, - Figure 3 shows the increase of the band gap (or "gap") as a function of x in the material (LixCui.x) 2ZnSnS4 (in which S is sulfur here), the increase in the gap having been theoretically estimated by the density functional theory (or "DFT", for "Density Functional Theory"), - Figure 4 compares the NMR line widths pewter 119Sn characterist the disorder (Cu, Zn): in the material of the prior art Cu 2 ZnSnS 4 obtained at high temperature with slow cooling thereafter (approximately -10 ° C./h for at least 24 hours) (CZTS curve (S)), in the material of the prior art Cu 2 ZnSnS 4 obtained at high temperature and following rapid cooling thereafter (curve CZTS (N)), o in the material (LixCui_x) 2ZnSnS4 that the present invention uses (relevant line surrounded by lines dotted), with cooling here at about -100 ° C / h (about five hours), and a composition such that x = 25% (Li-CZTS curve), - Figure 5A shows a first example of application of the material (LixCui.x) 2ZnSnS4 in a photovoltaic cell, as active photovoltaic layer, - Figure 5B shows a second example of application of the material (LixCui_x) 2ZnSnS4 in a photovoltaic cell, as a layer of a cell "top Of a tandem structure with silicon in a cell FIG. 6 schematically illustrates an example of a method for manufacturing a thin layer of (LixCui_x) 2ZnSnS4.

Le matériau proposé pour la mise en œuvre de l’invention est l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 présentant : (i) une transition optique directe et autorisée, (ii) un accord de maille cristalline avec le silicium à 1% près, (iii) une barrière d’énergie importante pour les trous permettant une diminution des recombinaisons en face avant de la cellule photovoltaïque, contrairement aux techniques généralement employées visant à créer une barrière d’énergie pour les électrons, (iv) une largeur de bande interdite ajustable entre 1.5 eV et 2 eV et (v) un contrôle du désordre des atomes (Cu,Zn) dans CZTS.The material proposed for the implementation of the invention is the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4 exhibiting: (i) a direct and authorized optical transition, (ii) a crystal lattice with silicon at 1%, (iii) a significant energy barrier for the holes allowing a reduction of the recombinations on the front face of the photovoltaic cell, contrary to the techniques generally used to create an energy barrier for the electrons, (iv) a band gap adjustable between 1.5 eV and 2 eV and (v) a control of the disorder of the atoms (Cu, Zn) in CZTS.

Toutes ces propriétés permettent d’améliorer les performances des cellules solaires à base de CZTS et l’intégration de ces cellules dans des cellules tandem à plus haut rendement.All these properties make it possible to improve the performance of CZTS-based solar cells and the integration of these cells into tandem cells with higher efficiency.

La solution proposée pour la mise en œuvre de l’invention est de constituer un alliage Li-CZTS (avec un atome lithium venant occuper un site d’atome de cuivre) dans une gamme de concentration de lithium allant de 0 à 40%, et préférentiellement de 20% à 40%.The solution proposed for the implementation of the invention is to form a Li-CZTS alloy (with a lithium atom occupying a copper atom site) in a lithium concentration range ranging from 0 to 40%, and preferably from 20% to 40%.

De nouveaux effets techniques liés à l’utilisation de ce matériau dans une structure de cellule solaire tandem (à base de silicium ou en couche mince) peuvent se lister comme présenté ci-après.New technical effects related to the use of this material in a tandem solar cell structure (silicon based or thin layer) can be listed as shown below.

Conservation de la phase kësteriteConservation of the kesterite phase

La conservation de la phase quadratique dite « kësterite » (qui est habituellement en compétition avec la phase hexagonale wurtzite) est contrôlée par la stœchiométrie x de l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4.The conservation of the so-called "kesterite" quadratic phase (which is usually in competition with the hexagonal wurtzite phase) is controlled by the stoichiometry x of the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4.

La phase quadratique, illustrée sur la figure 1, présente l’avantage d’être compatible cristallographiquement avec le silicium cristallin, avec notamment un accord de maille entre l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 et le Si de 1%. Les études cristallochimiques ont montré que la phase kësterite pure disparaissait à partir de 40% de Li au profit d’une structure biphasée avant que la phase wurtz-kësterite pure apparaisse à partir de 60% de Li (structure hexagonale de la figure 2).The quadratic phase, illustrated in FIG. 1, has the advantage of being crystallographically compatible with crystalline silicon, with in particular a mesh agreement between the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 and the Si of 1%. Crystallochemical studies have shown that the pure kesterite phase disappeared from 40% of Li in favor of a two-phase structure before the pure wurtz-kesterite phase appears from 60% of Li (hexagonal structure of Figure 2).

Augmentation de la largeur de bande interdite L’ouverture de la largeur de bande interdite Eg entre 1.5 et 2 eV dans la gamme d’alliage de 0 à 40% est assurée par la conservation de la structure kësterite. L’augmentation de la largeur de bande interdite s’effectue principalement par l’abaissement de la position de la bande de valence. Habituellement, dans le matériau CZTS (sans lithium), le maximum de la bande de valence est dominé par les interactions entre les orbitales p du chalcogène et les orbitales d du Cu et notamment la répulsion p-d, qui « repousse » le maximum de la bande de valence vers le niveau du vide (vers le haut). Le remplacement du Cu par le Li, qui ne possède pas d’orbitales d, a alors pour conséquence un abaissement du maximum de la bande de valence, et de là, une augmentation de la largeur de bande interdite. On a représenté sur la figure 3 l’augmentation de la largeur de bande interdite liée à l’incorporation de lithium (en prenant du soufre, sans sélénium, en tant qu’élément VI (élément S précité)). On relèvera en particulier que des valeurs de 1.8 eV sont atteintes avec simplement 25 à 30% de lithium dans CZTS, avec donc une structure quadratique conservée, compatible avec l’accord de maille avec le silicium. Le matériau (LixCui.x)2ZnSnS4 avec x=25% par exemple, constitue donc un matériau de choix pour s’accorder en structure tandem avec du silicium (de gap de 1,1 eV, offrant théoriquement d’excellentes performances dans une cellule tandem avec un matériau de gap de 1,7 eV). On relèvera en outre qu’il est possible d'incorporer du sélénium à la place du soufre dans la composition (LixCui.x)2ZnSnS4 pour réduire la largeur de bande interdite à 1,7 eV, lorsque la proportion de lithium est proche de 40 % (afin par exemple de minimiser le désordre (Cu,Zn) comme présenté ci-après).Increasing the bandgap The opening of the band gap Eg between 1.5 and 2 eV in the alloy range from 0 to 40% is ensured by the conservation of the kësterite structure. The increase in the bandgap is mainly done by lowering the position of the valence band. Usually, in the CZTS material (without lithium), the maximum of the valence band is dominated by the interactions between the p-orbitals of chalcogen and the orbital d of Cu and in particular the repulsion pd, which "pushes" the maximum of the band from valence to the vacuum level (upwards). The replacement of Cu by Li, which has no orbital d, then results in a lowering of the maximum of the valence band, and hence an increase in bandgap. FIG. 3 shows the increase in the bandgap band associated with lithium incorporation (by taking sulfur, without selenium, as element VI (element S mentioned above)). It will be noted in particular that values of 1.8 eV are reached with just 25 to 30% lithium in CZTS, with a conserved quadratic structure compatible with the mesh with silicon. The material (LixCui.x) 2ZnSnS4 with x = 25% for example, is therefore a material of choice for tuning in tandem with silicon (gap of 1.1 eV, theoretically offering excellent performance in a cell tandem with a gap material of 1.7 eV). It should further be noted that it is possible to incorporate selenium in place of sulfur in the composition (LixCui.x) 2ZnSnS4 to reduce the bandgap to 1.7 eV, when the proportion of lithium is close to 40. % (for example to minimize the disorder (Cu, Zn) as shown below).

En vue d’utiliser un composant photovoltaïque à base d’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 dans des applications en tandem avec une autre couche active, une proportion de lithium permettant d’obtenir une largeur de bande interdite comprise entre 1,7 eV et 2 eV s’avère particulièrement avantageuse. Une telle largeur de bande interdite peut notamment être obtenue pour une quantité x de lithium comprise entre 0,2 et 0,4, et tout particulièrement pour une quantité x de 0,25 lorsque l’élément S est du soufre. Dans cette configuration, une largeur de bande interdite de 1,7 eV pour le composé photovoltaïque actif est obtenue. Réduction du désordre (Cu, Zn)In order to use an alloy-based photovoltaic component (LixCui.x) 2ZnSnS4 in applications in tandem with another active layer, a proportion of lithium to obtain a band gap of between 1.7 eV and 2 eV is particularly advantageous. Such a bandgap width may in particular be obtained for an amount x of lithium of between 0.2 and 0.4, and especially for an amount x of 0.25 when the element S is sulfur. In this configuration, a bandwidth of 1.7 eV for the active photovoltaic compound is obtained. Reduction of the disorder (Cu, Zn)

Une réduction du désordre (Cu,Zn) (occupation aléatoire des sites Cu par Zn et vice-versa) a été observée en outre par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) de l’étain 119Sn. Ainsi, la présence des défauts ponctuels ionisés de type anti-site Cuzn et Zncu crée de fortes fluctuations de potentiels électrostatiques ainsi qu’un ancrage du niveau de Fermi au centre de la bande interdite. Ces deux effets peuvent expliquer le fort déficit en tension de circuit ouvert observé dans le cas des cellules solaires en couches minces à base de CZTS par rapport à celles à base de CIGS. Un contrôle du désordre permet ainsi de surmonter ce problème et de permettre à la technologie CZTS de se rapprocher des performances de la technologie CIGS notamment en termes d’efficacité de conversion.A reduction of the disorder (Cu, Zn) (random occupation of Cu sites by Zn and vice versa) was furthermore observed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) of 119Sn tin. Thus, the presence of Cuzn and Zncu anti-site ionized spot defects creates strong fluctuations in electrostatic potentials as well as an anchoring of the Fermi level in the center of the forbidden band. These two effects may explain the high open-circuit voltage deficit observed in the case of thin-film solar cells based on CZTS compared to those based on CIGS. A control of the disorder thus makes it possible to overcome this problem and to allow the CZTS technology to approach the performances of the CIGS technology in particular in terms of conversion efficiency.

On observe alors sur la figure 4 les résultats expérimentaux de RMN et plus particulièrement le spectre 119Sn pour des matériaux CZTS à structure kësterite ordonnée (CZTS(S)) et désordonnée (CZTS(N)), en comparaison de l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 (Li-CZTS). Le spectre de RMN pour l’alliage présente plusieurs pics correspondant à des environnements seconds voisins constitués de 0,1,2,3,4 atomes de Li. Le désordre (Cu, Zn) est matérialisé par la forme du pic de RMN. En particulier, un élargissement asymétrique est observé sur la courbe CZTS(N) obtenu à haute température (500-600°C) puis refroidissement par effet de trempe (inférieur à 1 minute). Un tel élargissement n’est en revanche pas observé dans le cas du même matériau ayant subi quant à lui un refroidissement lent (-5 à -10°C par heure, donc plus de 24 heures de refroidissement pour être ramené à température ambiante), sur la courbe CZTS(S).The experimental NMR results are then observed in FIG. 4, and more particularly the 119Sn spectrum for CZTS materials with an ordered keratite (CZTS (S)) and disordered (CZTS (N)) structure, in comparison with the alloy (LixCui. x) 2ZnSnS4 (Li-CZTS). The NMR spectrum for the alloy has several peaks corresponding to neighboring second environments consisting of 0,1,2,3,4 Li atoms. The disorder (Cu, Zn) is materialized by the shape of the NMR peak. In particular, an asymmetric widening is observed on the CZTS (N) curve obtained at high temperature (500-600 ° C) then cooling by quenching effect (less than 1 minute). Such an enlargement is not observed on the other hand in the case of the same material having undergone a slow cooling (-5 to -10 ° C. per hour, ie more than 24 hours of cooling to bring it back to ambient temperature), on the curve CZTS (S).

On observe enfin que dans le cas de l’alliage (courbe Li-CZTS), un très faible niveau de désordre est présent dans ce matériau (traits pointillés), et ce simplement par refroidissement de l’ordre de -100°C par heure, jusqu’à température ambiante après sa fabrication à 500-600°C (soit environ cinq heures). Un refroidissement naturel de ce matériau jusqu’à température ambiante est habituellement plus rapide et est plutôt de l’ordre de -200 à -300°C par heure (soit pendant deux heures environ). Néanmoins, une telle différence de vitesse de refroidissement n’est pas réellement de nature à remettre en cause l’ordre obtenu dans le matériau Li-CZTS. Ainsi, le temps de fabrication de ce matériau le rend, en tout état de cause, compatible avec des cadences de fabrication industrielle.Finally, it can be observed that in the case of the alloy (Li-CZTS curve), a very low level of disorder is present in this material (dashed lines), and this simply by cooling on the order of -100 ° C. per hour. to room temperature after its manufacture at 500-600 ° C (about five hours). A natural cooling of this material to room temperature is usually faster and is rather in the range of -200 to -300 ° C per hour (ie for about two hours). Nevertheless, such a difference in cooling rate is not really likely to call into question the order obtained in the Li-CZTS material. Thus, the manufacturing time of this material makes it, in any case, compatible with industrial production rates.

On donne ci-après plusieurs exemples de réalisation de ce matériau.Several examples of embodiments of this material are given below.

Dans une première réalisation, représentée schématiquement sur la figure 6, l’alliage (LixCui-x)2ZnSnS4 peut être effectué par un procédé comprenant une pulvérisation cathodique de constituants de l’absorbeur CZTS afin de fabriquer une couche précurseur sur un substrat. Le substrat peut typiquement être un substrat en molybdène formant contact électrique arrière du dispositif photovoltaïque réalisé. Cette couche précurseur peut notamment comprendre du cuivre Cu, du zinc Zn et de l’étain Sn, dans des proportions stœchiométriques compatibles avec la quantité x de lithium que l’on souhaite incorporer dans l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4. Les proportions stœchiométriques désirées peuvent notamment être contrôlées par la quantité de cuivre ou de composé à base de cuivre déposé. Le précurseur peut être réalisé soit à partir d’éléments purs Cu, Zn et Sn, soit à partir de composés comprenant l’élément S (CuS, ZnS, SnS) soit à partir d’un mélange d’éléments purs et de composés comprenant l’élément S.In a first embodiment, shown diagrammatically in FIG. 6, the alloy (LixCui-x) 2ZnSnS4 can be made by a process comprising cathodic sputtering of constituents of the CZTS absorber in order to produce a precursor layer on a substrate. The substrate may typically be a molybdenum substrate forming a rear electrical contact of the photovoltaic device produced. This precursor layer may in particular comprise copper Cu, zinc Zn and tin Sn, in stoichiometric proportions compatible with the amount x of lithium that it is desired to incorporate into the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4. The desired stoichiometric proportions may in particular be controlled by the amount of copper or copper-based compound deposited. The precursor can be produced either from pure elements Cu, Zn and Sn, or from compounds comprising the element S (CuS, ZnS, SnS) or from a mixture of pure elements and compounds comprising the element S.

Le dépôt des couches du précurseur peut être réalisé soit séquentiellement, soit en une seule fois dans un processus de co-pulvérisation cathodique de tous les composés.Deposition of the precursor layers can be performed either sequentially or all at once in a co-sputtering process of all compounds.

En outre, une couche de fluorure de lithium LiF est également déposée (par une technique classique de croissance de ces couches). Cette couche de LiF peut par exemple être déposée sur le substrat préalablement à la fabrication de la couche précurseur. La couche de LiF se trouve alors sur le substrat et sous la couche précurseur.In addition, a layer of lithium fluoride LiF is also deposited (by a conventional technique of growth of these layers). This LiF layer may for example be deposited on the substrate prior to the manufacture of the precursor layer. The LiF layer is then on the substrate and under the precursor layer.

Alternativement, la couche de LiF peut être déposée après la fabrication de la couche précurseur, et se retrouve alors sur une surface supérieure de cette dernière.Alternatively, the LiF layer can be deposited after the manufacture of the precursor layer, and is then found on an upper surface thereof.

La position relative de la couche de LiF par rapport à la couche précurseur permet d’ajuster la manière dont le lithium diffuse à travers le précurseur pour venir occuper les sites dépourvus de cuivre de l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4.The relative position of the LiF layer with respect to the precursor layer makes it possible to adjust the manner in which the lithium diffuses through the precursor to occupy the copper-free sites of the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4.

Lorsque la couche de LiF et la couche précurseur ont été fabriquées, un recuit à haute température peut être appliqué à cette hétéro-structure, en présence d’élément VI tel que du soufre (préféré car il permet d’aboutir à une largeur de bande interdite plus élevée) ou du sélénium sous forme gazeuse par exemple. Ce dernier se combine avec le fluor pour former un composé très volatile SF6 ou SeF6 qui s’évacue pour laisser subsister une couche de Li-CZTS selon une stœchiométrie (LixCui.x)2ZnSnS4, où x dépend typiquement de l’épaisseur de la couche Li-F initiale. La couche obtenue Li-CZTS est typiquement d’une épaisseur de l’ordre d’un ou quelques microns, et peut être ramenée à température ambiante par refroidissement naturel. Cette facilité rend ce matériau susceptible d’application industrielle pour la fabrication de cellules photovoltaïques notamment, avec de bonnes performances en particulier.When the LiF layer and the precursor layer have been manufactured, high temperature annealing can be applied to this hetero-structure, in the presence of element VI such as sulfur (preferred because it makes it possible to achieve a bandwidth forbidden higher) or selenium in gaseous form for example. The latter combines with fluorine to form a highly volatile compound SF6 or SeF6 which evacuates to leave a layer of Li-CZTS according to a stoichiometry (LixCui.x) 2ZnSnS4, where x typically depends on the thickness of the layer Li-F initial. The layer obtained Li-CZTS is typically of a thickness of the order of one or a few microns, and can be brought to room temperature by natural cooling. This facility makes this material susceptible of industrial application for the manufacture of photovoltaic cells in particular, with good performance in particular.

Il a été ainsi constaté qu’une couche LiF 20 à 10 fois moins épaisse que la couche de l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 réalisé permet d’inclure une quantité x de lithium comprise typiquement entre 0,2 et 0,4, aboutissant à une largeur de bande interdite pour l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 comprise entre 1,7 eV et 2 eV. Ces proportions sont particulièrement adaptées à des applications dans un dispositif photovoltaïque de type tandem.It has thus been found that a LiF layer 20 10 times thinner than the layer of the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 produced makes it possible to include an amount x of lithium typically comprised between 0.2 and 0.4, resulting in a forbidden band width for the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 between 1.7 eV and 2 eV. These proportions are particularly suitable for applications in a tandem type photovoltaic device.

La position de la couche de LiF par rapport à la couche précurseur permet de contrôler la répartition du lithium dans la couche d’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4. Pour une durée de recuit standard typiquement comprise entre 30 minutes et deux heures, pour des températures de recuit comprises entre 450°C et 600°C, la dynamique de diffusion du lithium dans le précurseur peut conduire à l’apparition d’un gradient de concentration en lithium dans l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4.The position of the LiF layer with respect to the precursor layer makes it possible to control the distribution of lithium in the alloy layer (LixCui.x) 2ZnSnS4. For a standard annealing time typically between 30 minutes and two hours, for annealing temperatures between 450 ° C. and 600 ° C., the diffusion dynamics of the lithium in the precursor can lead to the appearance of a gradient of lithium concentration in the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4.

Ainsi, pour une couche de LiF située sur la couche précurseur CZTS, on aura tendance à observer un gradient de teneur en lithium décroissant depuis la couche supérieure du précurseur vers le substrat. Pour une couche de LiF située sous la couche précurseur CZTS, on aura tendance à observer un gradient de teneur en lithium croissant depuis la couche supérieure du précurseur vers le substrat.Thus, for a LiF layer located on the CZTS precursor layer, there will be a tendency to observe a decreasing lithium content gradient from the upper layer of the precursor to the substrate. For a LiF layer located under the CZTS precursor layer, there will be a tendency to observe a lithium content gradient increasing from the upper layer of the precursor to the substrate.

La présence d’un tel gradient se traduira par des propriétés d’effet barrière aux trous différentes dans la structure finale obtenue, permettant d’augmenter les performances électriques du dispositif photovoltaïque réalisé.The presence of such a gradient will result in barrier properties to different holes in the final structure obtained, to increase the electrical performance of the photovoltaic device made.

Lorsque les constituants de la couche précurseur CZTS sont déposés séquentiellement, il est possible de prévoir un emplacement de la couche de LiF entre les constituants du précurseur. La diffusion du lithium pourra alors donner lieu à l’apparition d’un gradient de teneur en lithium autour de la position initiale de cette couche de LiF.When the constituents of the precursor layer CZTS are deposited sequentially, it is possible to provide a location of the LiF layer between the constituents of the precursor. The diffusion of lithium may then give rise to the appearance of a lithium content gradient around the initial position of this LiF layer.

Dans une autre variante de réalisation, il est possible de fabriquer la couche d’alliage (LixCui-x)2ZnSnS4 par co-pulvérisation d’éléments stables incluant des composés à base de lithium. Par exemple, il est possible de prévoir une pulvérisation cathodique simultanée de cuivre Cu, de zinc Zn et d’un composé LixSny. En variante, la pulvérisation simultanée peut comprendre un composé de type CuxLii_x, du zinc Zn et de l’étain Sn.In another alternative embodiment, it is possible to manufacture the alloy layer (LixCui-x) 2ZnSnS4 by co-spraying stable elements including lithium-based compounds. For example, it is possible to provide simultaneous sputtering of Cu copper, zinc Zn and a LixSny compound. Alternatively, the simultaneous sputtering may comprise a CuxLIIIx compound, Zn zinc and Sn tin.

Il est toutefois préféré de prévoir une pulvérisation simultanée à partir de cibles comprenant deux sources de lithium : une cible comprenant un composé LixSny et une cible comprenant un composé de type CuxLii.x, Ainsi, un meilleur contrôle sur la qualité du dépôt de lithium dans le précurseur est possible en contrôlant séparément les paramètres de pulvérisation de chaque cible (ajustement de la puissance, de la quantité de matière prévue, etc).However, it is preferred to provide simultaneous sputtering from targets comprising two lithium sources: a target comprising a LixSny compound and a target comprising a compound of CuxLii.x type, thus, better control over the quality of the lithium deposit in the precursor is possible by separately controlling the sputtering parameters of each target (adjustment of the power, the amount of material provided, etc.).

Ainsi, une réalisation au sens de l’invention offre l’avantage de bonnes performances du matériau choisi, à faibles coûts à la fois de constituants et de fabrication.Thus, an embodiment in the sense of the invention offers the advantage of good performance of the material chosen, low costs of both constituents and manufacturing.

Les mises en œuvre possibles pour ce matériau sont :Possible implementations for this material are:

- l’utilisation directe de ce matériau en tant que couche photovoltaïque seule, comme illustrée sur la figure 5A (couche photovoltaïque « absorbeur » CPA déposée sur un substrat SUB, avec par exemple une couche tampon BUF déposée ensuite par-dessus, puis une couche électrode transparente ELE), ou - son utilisation dans une structure tandem (couche CPA déposée sur une galette (ou « wafer ») de silicium SIW, éventuellement séparée par une couche de jonction à effet tunnel JCT), comme illustré sur la figure 5B.the direct use of this material as a photovoltaic layer alone, as illustrated in FIG. 5A (CPA "absorber" photovoltaic layer deposited on a SUB substrate, with for example a BUF buffer layer then deposited over it, and then a layer transparent electrode ELE), or - its use in a tandem structure (layer CPA deposited on a wafer (or "wafer") of SiW silicon, optionally separated by a tunnel effect junction layer (JCT), as shown in Figure 5B.

Ainsi, l’invention peut être appliquée aux cellules solaires à couche mince de type chalcogénure et/ou aux cellules solaires tandem à base de silicium, et ce notamment pour la fabrication de cellules et de panneaux solaires.Thus, the invention can be applied to chalcogenide type thin-film solar cells and / or silicon-based tandem solar cells, and in particular for the manufacture of cells and solar panels.

Les avantages que procurent l’invention sont nombreux, avec notamment : - l’utilisation d’éléments abondants et non toxiques, - une position de la bande de valence permettant la création d’une barrière aux trous et empêchant ainsi la recombinaison des trous en face avant, - la réduction du désordre (Cu, Zn) qui entraîne une augmentation des performances notamment en termes de tension de circuit ouvert.The advantages provided by the invention are numerous, especially with: the use of abundant and non-toxic elements; a position of the valence band allowing the creation of a barrier to the holes and thus preventing the recombination of the holes front face, - the reduction of the disorder (Cu, Zn) which causes an increase of the performances in particular in terms of open circuit voltage.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d’exemples ; elle s’étend à d’autres variantes.Of course, the present invention is not limited to the embodiments described above as examples; it extends to other variants.

Par exemple, une forme de réalisation différente de l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 peut prévoir en outre un traitement électrochimique de CZTS dans un bain de sel de lithium, avec un échange Li/Cu. Dans une autre variante encore, on peut prévoir un trempage d'une couche mince de CZTS dans un bain de butyllithium, avec un échange Li/Cu.For example, a different embodiment of the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4 may further provide electrochemical treatment of CZTS in a lithium salt bath with Li / Cu exchange. In yet another variant, provision can be made for dipping a thin layer of CZTS in a butyllithium bath with a Li / Cu exchange.

Claims (20)

REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque comprenant un composant photovoltaïque actif, caractérisé en ce que ledit composant comporte du lithium dans un alliage (LixCui.x)2ZnSnS4, dans lequel l’élément S est du soufre ou du sélénium, ou un mélange de ces éléments.A method of manufacturing a photovoltaic cell comprising an active photovoltaic component, characterized in that said component comprises lithium in an alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4, wherein the element S is sulfur or selenium, or mixture of these elements. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion de lithium dans l’alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 est supérieure à 20% et inférieure à 40%, de sorte à obtenir une largeur de bande interdite de l’alliage de valeur comprise entre 1,7 eV et 2 eV.2. Method according to claim 1, characterized in that the proportion of lithium in the alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4 is greater than 20% and less than 40%, so as to obtain a bandgap width of the alloy value between 1.7 eV and 2 eV. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant comporte une couche dudit alliage en tant que couche photovoltaïque active.3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component comprises a layer of said alloy as an active photovoltaic layer. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le composant comporte une couche dudit alliage en tandem avec une autre couche.4. Method according to one of claims 1 and 2, characterized in that the component comprises a layer of said alloy in tandem with another layer. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite autre couche comporte du silicium.5. Method according to claim 4, characterized in that said other layer comprises silicon. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite autre couche est une galette de silicium, sur laquelle est déposée la couche dudit alliage.6. Method according to claim 5, characterized in that said other layer is a silicon wafer, on which is deposited the layer of said alloy. 7. Procédé selon l’une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite autre couche et la couche dudit alliage sont séparées d’une couche de jonction à effet tunnel.7. Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that said other layer and the layer of said alloy are separated from a tunneling junction layer. 8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de pulvérisation de constituants de l’alliage (LixCui_x)2ZnSnS4 sur un substrat et une étape de recuit, le recuit étant réalisé en présence de l’élément S et d’une couche d’un composé comprenant du lithium.8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one step of spraying constituents of the alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4 on a substrate and an annealing step, the annealing being carried out in the presence of element S and a layer of a compound comprising lithium. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’étape de pulvérisation est une pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique choisis parmi les composés élémentaires cuivre Cu, zinc Zn et étain Sn, ou bien des alliages de ces composés avec l’élément S : CuS, ZnS, SnS, le procédé comprenant en outre le dépôt d’une couche de fluorure de lithium LiF.9 Process according to claim 8, characterized in that the sputtering step is a cathodic sputtering of the compounds of the columns IB, IIB or IVA of the periodic table chosen from the elemental compounds Cu, zinc Zn and tin Sn, or alloys of these compounds with the element S: CuS, ZnS, SnS, the process further comprising depositing a layer of lithium fluoride LiF. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de fluorure de lithium LiF est déposée sur le substrat avant l’étape de pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.10. The method of claim 9, characterized in that the LiF lithium fluoride layer is deposited on the substrate before the sputtering step of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de fluorure de lithium LiF est déposée après l’étape de pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.11. The method of claim 9, characterized in that the LiF lithium fluoride layer is deposited after the sputtering step of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table. 12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la pulvérisation est une co-pulvérisation cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.12. Method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the sputtering is a co-sputtering of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table. 13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la pulvérisation est une pulvérisation séquentielle cathodique de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.13. Method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the sputtering is a cathodic sequential spray of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche de fluorure de lithium LiF est déposée entre deux séquences de pulvérisation de composés des colonnes IB, IIB ou IVA du tableau périodique.14. The method of claim 13, characterized in that the LiF lithium fluoride layer is deposited between two sputtering sequences of compounds of columns IB, IIB or IVA of the periodic table. 15. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’étape de pulvérisation est une co-pulvérisation cathodique de cibles d’éléments stables comprenant du zinc Zn, du cuivre Cu et de l’étain Sn et en ce que la couche du composé comprenant du lithium est réalisée pendant l’étape de pulvérisation à partir d’une cible d’au moins un alliage choisi parmi LixSny et CuxLii_x.15. The method of claim 9, characterized in that the sputtering step is a co-sputtering of stable element targets comprising zinc Zn, copper Cu and tin Sn and that the layer of compound comprising lithium is produced during the sputtering step from a target of at least one alloy selected from LixSny and CuxLii_x. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la couche du composé comprenant du lithium est obtenue pendant l’étape de pulvérisation à partir d’une cible comprenant un alliage de LixSny et une cible d’un alliage de CuxLii.x contrôlées selon des paramètres différents.16. The method of claim 15, characterized in that the layer of the compound comprising lithium is obtained during the sputtering step from a target comprising a LixSny alloy and a target of a controlled CuxLii.x alloy. according to different parameters. 17. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 16, caractérisé en ce que la couche du composé comprenant du lithium a une épaisseur 20 à 10 fois plus petite que l’épaisseur du composant photovoltaïque actif en un alliage (LixCui.x)2ZnSnS4 réalisé.17. Method according to any one of claims 8 to 16, characterized in that the layer of the compound comprising lithium has a thickness 20 to 10 times smaller than the thickness of the active photovoltaic component of an alloy (LixCui.x) 2ZnSnS4 achieved. 18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 17, caractérisé en ce que l’alliage obtenu après recuit est ramené à température ambiante par refroidissement durant moins de cinq heures pour une couche d’épaisseur de l’ordre d’un micromètre.18. Method according to any one of claims 8 to 17, characterized in that the alloy obtained after annealing is brought to room temperature by cooling for less than five hours for a layer of thickness of the order of one micrometer . 19. Cellule photovoltaïque, caractérisée en ce qu’elle comprend un composant photovoltaïque actif comportant du lithium dans un alliage (LixCui_x)2ZnSnS4, dans lequel l’élément S est du soufre ou du sélénium, ou un mélange de ces éléments.Photovoltaic cell, characterized in that it comprises an active photovoltaic component comprising lithium in an alloy (LixCui_x) 2ZnSnS4, in which the element S is sulfur or selenium, or a mixture of these elements. 20. Cellule photovoltaïque selon la revendication 10, caractérisée en ce que la quantité x de lithium dans l’alliage est comprise entre 0,2 et 0,4, de sorte à obtenir une largeur de bande interdite de l’alliage de valeur comprise entre 1,7 eV et 2 eV.Photovoltaic cell according to claim 10, characterized in that the quantity x of lithium in the alloy is between 0.2 and 0.4, so as to obtain a forbidden bandwidth of the alloy of value between 1.7 eV and 2 eV.
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