Contribution de la Kestérite (Cu2ZnSn(S,Se)4) et de la couche de champ de surface arrière (BSF) à l’amélioration des performances des cellules photovoltaïques à couches minces CuInSe2

Abstract

Dans un contexte mondial marqué par une demande énergétique croissante et des préoccupations environnementales de plus en plus pressantes, les énergies renouvelables jouent un rôle central dans la transition énergétique. Parmi elles, l’énergie solaire occupe une position stratégique en raison de son abondance, de son caractère inépuisable et de son faible impact environnemental. Les cellules photovoltaïques, qui permettent de convertir directement l’énergie solaire en électricité, constituent une solution technologique incontournable pour répondre à ces enjeux. Parmi les technologies photovoltaïques, les cellules solaires à couches minces se distinguent par leurs avantages, notamment une faible consommation de matériaux, une flexibilité mécanique et un potentiel de réduction des coûts de production. Les cellules à base de CuInSe₂(CIS) figurent parmi les plus prometteuses grâce à leurs excellentes propriétés optoélectroniques, telles qu’une large bande interdite ajustable et un coefficient d’absorption élevé. Malgré ces atouts, leur développement à grande échelle est freiné par plusieurs limitations, notamment des pertes électriques dues à la recombinaison des porteurs de charge et une optimisation insuffisante de certaines couches fonctionnelles.Cette étude se concentre sur l’amélioration des performances d’une cellule solaire multicouche en utilisant le logiciel SCAPS-1D. La structure étudiée comprend les couches ZnO/ZnSe/CZTSe/CuInSe2/CZTSSe/Mo, avec CZTSe comme couche abso rbante supérieure, CuInSe2 comme couche principale, et CZTSSe comme couche de champ de surface arrière. Après avoir comparé différentes configurations, l’étude se focalise sur la structure la plus performante en analysant son spectre d’efficacité quantique externe. L’étude évalue plusieurs matériaux de fenêtre et de tampon, identifiant ZnO et ZrS2 comme les plus efficaces pour maximiser la densité de courant et l’efficacité. En optimisant les épaisseurs des couches (CZTSe, CZTSSe, CuInSe2) et en ajustant la densité d’accepteurs, les performances sont considérablement améliorées. La gestion thermique, avec une efficacité optimale à 300 K, joue un rôle crucial. Grâce à ces optimisations, la cellule atteint une efficacité de 35,38 %. Ces résultats sont comparés avec ceux de la littérature, mettant en évidence des avancées significatives dans le domaine des cellules solaires à haut rendement.