ETUDE STRUCTURALE DES COUCHES MINCES DE LA PYRITE

ETUDE STRUCTURALE DES COUCHES MINCES DE LA PYRITE Fe. S 2 POUR LES APPLICATIONS PHOTOVOLTAIQUES Nasr-Eddine HAMDADOU et Mohamed BOUHMIDI Laboratoire de Micro et de Nanophysique (La. Mi. N), Ecole Nationale Polytechnique d’Oran (ENPO), BP 1523 El Mnaouer Oran 31000, ALGERIE Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 1

Plan de l’exposé I- Introduction II- Elaboration des couches minces de Fe. S 2 III- Caractérisation des couches minces de Fe. S 2 III. 1 - Analyse par la diffraction des rayons X III. 2 - Etudes quantitatives par XPS et microanalyse III. 3 - Analyse qualitative par l’XPS III. 4 - Visualisation au MEB IV- Conclusion et perspectives Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 2

I- Introduction Les matériaux du type pyrite sont les disulfures des métaux de transition : MS 2 avec M = Fe, Mo, W, Zn, Co, Ni, Cu. La pyrite Fe. S 2 (du mot grec de sens pierre de feu), est le sulfure minéral le plus abondant dans la nature, il est de couleur jaune dorée. Le composé Fe. S 2 peut cristalliser dans deux structures, cubique et orthorhombique (la marcassite). Son rendement quantique élevé ( 90 %), son coefficient d’absorption optique élevé ( 105 cm-1 pour hv 1. 3 e. V). La non toxicité et l’abondance naturelle de ses constituants (ie : Fe et S) représentent des atouts supplémentaires servant la présentation de la pyrite comme matériau photovoltaïque préservant l’environnement. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 3

La largeur de la bande interdite de la pyrite (Fe. S 2) est de l’ordre de 1 e. V, ainsi ce matériau peut faire l’objet de plusieurs applications optoélectroniques. En couche mince son utilisation comme couche absorbante dans une cellule photovoltaïque, est envisageable. Contact métallique Al/Ni. Cr/Al Couche d’ OTC Fil en cuivre Couche Absorbante Couche de Mo Couche Tampon Substrat en verre - Structure d’une cellule photovoltaïque en couches minces Dans ce travail un procédé simple est utilisé pour l’élaboration des couches minces de la pyrite (Fe. S 2) polycristallines sur des substrats de verre. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 4

II- Elaboration des couches minces de Fe. S 2 L’élaboration de la couche mince de Fe. S 2, s’est faite en trois étapes: Première étape : - Dépôt d’une couche de Fe, sur substrat de verre nettoyé préalablement, par évaporation sous vide (10 -7 mbar) à l’aide d’un canon à électrons. - L’épaisseur de la couche e = 800 A°, la vitesse de dépôt Φ = 2 A°/s, contrôlées par une balance à quartz. Deuxième étape : - La couches mince de Fe est placée, dans un tube en Pyrex, scellé sous vide (10 -5 mbar). - Quelques grains de S (~ 30 mg) sont introduits dans le tube avant scellage. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 5

Lampe I. R. Enceinte à vide Déflecteur Porte substrats Pastille à quartz Substrats Alimentation du creuset Balance à quartz Creuset Jauge à vide Vanne primaire-enceinte Vanne secondaire-enceinte Soupape Serpentin de refroidissement Rotor Stator Huile Tuyères Vanne primaire-secondaire Chauffage Palette Pompe à diffusion Pompe à palettes - Enceinte d’évaporation Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 6

Troisième étape : - Traitement thermique du tube scellé dans un four tubulaire, à T a = 823 K pendant ta = 6 h. - Le temps de montée en température est de 45 minutes, et le retrait du tube ne se fait qu’à l’issu du refroidissement complet du four. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 7

III- Caractérisation des couches minces de Fe. S 2 III. 1 - Analyse par la diffraction des rayons X Les couches possèdent une seule phase et les pics correspondent à la structure cubique (pyrite Fe. S 2) (JCPDS N° 42 -1340). La constante du réseau calculée: a= 5. 42 A°, à l’aide de la relation: Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 8

III. 2 - Etudes quantitatives par XPS et microanalyse Les résultats de l’analyse quantitative par XPS et ceux de la microanalyse montrent que les couches sont stoichiométriques. Cependant un excès de soufre en surface est détecté. Concentration atomique (%) Fe S Poudre de référence Couche mince de Fe. S 2 obtenue après traitement thermique : Ta= 823 K, ta= 6 h La même couche mince après traitement thermique sous vide dynamique : Ta=330 K, ta=3 h 33 * 67 * 14 32. 5 * 86 67. 5 * 31 32. 5 * 69 67. 5 * - Résultats quantitatifs des couches minces de Fe. S 2 obtenus par la microanalyse (*) et l’XPS. . Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 9

La forme caractéristique de la raie S 2 p (fig. a) atteste de la bonne qualité des couches. Pour le fer un doublet : Fe 2 p 1/2 et Fe 2 p 3/2 apparaît bien résolu (fig. b). Après décapage les formes des raies S 2 p sont modifiées. a a bb - Les raies XPS des couches de Fe. S 2 avant (0 min) et après 1 min de décapage : a) S 2 p. b) Fe 2 p. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010

III. 4 - Visualisation au MEB La couche est polycristalline. Les grains sont répartis d’une manière uniforme. La taille des grains varie de 150 - 500 nm. 100 nm 1 μm a b Une bonne adhérence couche mince-substrat est constatée. L’épaisseur des couches minces est e = 220 nm. 100 nm c Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 11

IV- Conclusion et perspectives La technique de sulfurisation d’une couche mince de Fe dans un tube scellé sous vide, s’est révélée comme un procédé simple et moins couteux, permettant l’élaboration des couches minces de la pyrite Fe. S 2. Les couches minces de Fe. S 2 élaborées sont homogènes, stoichiométriques et présentent de bonnes qualités structurales. Le procédé est reproductible. La suite de ce travail doit s’orienter vers l’étude des propriétés électriques et optiques avant d’envisager l`application de ses couches dans le domaine photovoltaïque. Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 12

Pr HAMDADOU Nasr-Eddine nasreddine. hamdadou@enp-oran. dz Septième Conférence Internationale sur les Sciences des Matériaux (CSM 7) Beyrouth, Liban 20 -22 Mai 2010 13