Description du sujet de thèse

Le secteur photovoltaïque (PV) connaît une croissance rapide et devient l'un des principaux piliers de la transition énergétique. Dans ce contexte, une feuille de route ambitieuse a été publiée lors de la COP21, initiée par l'IPVF en relation avec dix autres instituts dans le monde, nommée "30-30-30". Elle vise à atteindre des rendements de conversion de 30 %, à partir de modules à 30 centimes par Watt en 2030. Pour atteindre des rendements de conversion supérieurs à 30 %, valeur maximale des cellules silicium à simple jonction, une stratégie consiste à développer des cellules solaires tandem dont les absorbeurs respectifs ont des bandes interdites complémentaires. Ces systèmes multi-jonctions peuvent en principe atteindre un rendement supérieur à 40 %.
Une des visions stratégiques du projet IOTA « InnOvative Tandem Architectures » mené dans le cadre du PEPR TASE (Technologies Avancées pour les Systèmes Energétiques), est de combiner deux technologies PV industriellement matures pour réaliser des structures tandem à deux terminaux. L’architecture cible associe un absorbeur de type chalcopyrite Cu(InGa)S2 ou CIGS dont la bande interdite avoisine les 1.6 eV à une cellule inférieure en silicium cristallin (c-Si). Cependant, l’intégration directe d’une cellule CIGS sur un substrat c-Si présente des verrous technologiques majeurs, notamment l’absence d’adhérence du CIGS sur le silicium, même après désoxydation. Cela rend indispensable l’utilisation de couches interfaciales adaptées assurant à la fois le couplage optique et électrique entre les deux sous-cellules. Les oxydes conducteurs transparents (TCOs) apparaissent comme des candidats particulièrement prometteurs à cet effet, car ils permettent non seulement d'assurer la transmission de la lumière vers la cellule inférieure tout en servant de contact arrière transparent pour la cellule CIGS, mais également d'offrir une base favorable à la croissance du CIGS, notamment dans une approche par collage où ils remplacent avantageusement le molybdène. Dans le cadre du projet ANR-PASTEL (2021-2025), impliquant entre autre les deux laboratoires partenaires de cette thèse, un certain nombre de TCO et de couches de passivation ont été testés sur des dispositifs à base de CIGSe (Cu(In,Ga)Se2) fournissant des données précieuses pour la sélection des matériaux, TCO et couches de passivation, les plus adaptés à une intégration en tandem avec le silicium.
L'objectif de cette thèse est tout d'abord d'identifier les oxydes, TCO et couches de passivation, les plus pertinents en tant que contact arrière transparent et/ou couche d'interface (c.-à-d. inter-couche). Cette sélection reposera non seulement sur les propriétés intrinsèques des matériaux, mais surtout sur la qualité optoélectronique de leur interface avec le CIGS, afin de minimiser les pertes liées aux défauts d’interface et aux désalignements de bandes. Afin d’identifier les mécanismes limitant les performances des dispositifs, le doctorant analysera la corrélation entre ces performances et les caractéristiques des matériaux, tant sur le plan physico-chimique, structural qu’optoélectronique. L’objectif final sera d’optimiser les cellules CIGS sur TCO les plus adaptées aux cellules solaires en tandem à base de c-Si/CIGS 2T. Elle mènera donc à la fois des études optoélectroniques et matériaux sur des structures dédiées à la réalisation de dispositifs photovoltaïques tandem. Ce travail expérimental sera complété/appuyé par des simulations visant à mieux comprendre le fonctionnement des dispositifs. La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l'étude approfondie des dispositifs tandem les plus performants développés dans le cadre du projet.

Contexte de travail

Les deux laboratoires parties prenantes du projet ont des expertises et équipements complémentaires. L’ensemble des travaux en lien avec les cellules à base de CIGS, qu’il s’agisse de l’élaboration, la caractérisation matériaux et l’essentiel de la caractérisation optoélectronique, seront effectués à l’IMN et celles en lien avec les TCO seront réalisées à l’IPVF. Si la majorité du temps de l’étudiant-e sera passé au sein de l’IMN, des séjours sont prévus à l’IPVF.
Pour ce qui concerne les travaux à Nantes, la personne recrutée sera inscrite à Nantes Université (école doctorale 3MG) et mènera ses travaux de recherche dans l’équipe MIOPS (Matériaux Innovants pour le l’Optique, le Photovoltaïque et le Stockage) de l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN, UMR6502, http://www.cnrs-imn.fr). L’IMN est une unité mixte de recherche CNRS – Université de Nantes, composée de plus de 200 personnels dont environ 120 permanents et 80 doctorants et post-doctorants, regroupant des physiciens et chimistes menant de concert des activités de recherche dans le domaine des matériaux fonctionnels. Les travaux seront menés au sein de l’équipe MIOPS, dont les activités dans le domaine du photovoltaïque à base de couches minces de chalcogénures sont de renommée internationale.
Concernant les travaux réalisés à l'IPVF, le doctorant les effectuera au sein de l’UMR IPVF-CNRS 9006. L’IPVF (Institut Photovoltaïque d'Île-de-France) est un centre de recherche de pointe dédié à l'innovation dans le domaine du photovoltaïque. Situé sur le plateau de Saclay, il rassemble des experts issus du milieu académique et industriel pour développer des technologies solaires avancées et améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques. L'IPVF mène des recherches sur de nouveaux matériaux, comme les pérovskites, et explore des solutions innovantes pour rendre l’énergie solaire plus compétitive et durable. Grâce à une approche collaborative et des infrastructures de pointe, l’institut joue un rôle clé dans la transition énergétique et le développement des énergies renouvelables en France et à l’international.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

La personne recrutée sera amenée à effectuer des déplacements dans les laboratoires partenaires.