Caractérisation d’absorbeurs en CZTS par spectroscopie Raman
Résumé
Le composé quaternaire Cu2ZnSnS4 (CZTS) présente plusieurs caractéristiques intéressantes en tant
qu’absorbeur de cellule photovoltaïque : il possède un bon coefficient d’absorption ( 104 cm−1 [1]) et une
énergie de gap adaptée ( 1.5 eV [1]). Le cuivre, l’étain, le zinc et le soufre ont en outre l’avantage d’être
des éléments abondants et non-toxiques.
Le domaine de stabilité du CZTS étant restreint [2], une ou plusieurs phases secondaires peuvent se
former au cours de la synthèse du CZTS. La présence de ces phases secondaires dans l’absorbeur limiterait
les performances de la cellule finale. La spectroscopie Raman permet d’identifier les phases secondaires
présentes à la surface ( 100 nm) de l’absorbeur. L’évaluation de la quantité de phase secondaire se fait de
manière standard à l’aide d’une cartographie μ-Raman point par point de la surface de l’échantillon. Il est
ensuite possible de représenter = IPhase secondaire/(IPhase secondaire + IPhase principale) en fonction de la
position, comme présenté figure 1a, où le SnS2 est la phase secondaire. Les grandes valeurs de indiquent
alors les zones riches en SnS2 tandis que les petites valeurs de indiquent les zones riches en CZTS. La
représentation figure 1a en échelle de couleur continue donne un bon aperçu qualitatif de la répartition de
la phase secondaire au sein de l’absorbeur ; il est cependant difficile de quantifier la présence de celle-ci avec
ce type de représentation continue. Nous avons donc développé une méthode qui permet d’effectuer une
analyse quantitative des cartographies obtenues.
Cette méthode consiste à utiliser une échelle discrète bicolore, figure 1b. Lorsque > e = 0.5, on
considère que la phase secondaire est majoritaire ; lorsque < e = 0.5, on considère que la phase principale
est majoritaire. Cette représentation permet de définir une frontière entre la phase secondaire et la phase
principale. Il est alors possible d’évaluer la quantité de phase secondaire présente via le rapport de la surface
occupée par la phase secondaire sur la surface totale de la cartographie. Cela permet également d’effectuer
des analyses morphologiques propres aux images binaires comme la granulométrie.
La représentation de la figure 1b a été utilisée pour caractériser une série d’absorbeurs en CZTS déposés
sur du molybdène et sur du silicium. Il est alors possible de mettre en évidence et quantifier la présence de
ZnS et de SnS2 dans ces absorbeurs.
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