Technologies les plus prometteuses pour suivre le défi de la production d'énergie. La première partie de cette mémoire aborde les absorbeurs de CISe préparés par co-évaporation (3 étapes) et l'effet de l'oxygène (ainsi que le sodium) dans les absorbeurs et des cellules solaires. La température du substrat de 1ère étape la plus élevé (400°C), conduit à un rendement maximal de 12% (Voc=460mV, Jsc=37mA/cm2, FF=78,3%). L’oxydation des couches précurseurs de In2Se3 a montré que les oxydations prolongées ont donnée lieu à faibles rendements de cellules solaires. Les cellules de CISe sans Na ont été fortement dégradées après l’oxydation, avec une baisse de Voc (-72%) et de FF (- 45%). La deuxième partie de la mémoire traite avec la croissance des couches de CISe par un procédé hybride (pulvérisation pyrolyse suivie par coévaporation). La croissance est basée sur un processus de co-évaporation en 3 étapes, mais en remplaçant la couche de 1ère étape avec un couche In2Se3 pyrolysée. Il a été montré qu’une couche de CISe de haute qualité peut être obtenue. L’optimisation des conditions de croissance du procédé hybride (régime du Cu) a permis des dispositifs avec un rendement de 11,1%. Une amélioration peut être atteinte par la diminution de la recombinaison au niveau du contact arrière. / In photovoltaics, the thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) technology is one of the most promising technology to keep up with today’s energy production challenge. The first part of this work address the CISe absorbers films prepared by the 3-stage co-evaporation process. Also, the effect of the oxygen (along with sodium) in the CISe absorbers and solar cells is investigated. The highest 1st-stage substrate temperature (400 C) leads to the highest efficiency of 12% (Voc=460mV, Jsc=37 mA/cm2, FF=78.3%). Oxidation of the In2Se3 precursors films showed that long time exposures resulted in low solar cell parameters. The CISe cells without sodium are degraded after oxidation, with a drop in Voc (-72%) and FF (-45%). The second part of the work deals with the growth of CISe films by a hybrid process which involves two deposition techniques, namely spray pyrolysis and co-evaporation. The process is based on a 3-stage coevaporation process but replacing the 1st-stage film with an In2Se3 spray pyrolyzed film. It was shown that highquality CISe films can be obtained. Optimization of the hybrid process growth conditions (Cu regime) allowed solar cells with efficiencies of 11.1% (Voc=438mV, Jsc=37 mA/cm2, FF=67.5%). Further improvement could be achieved by the decrease of recombination at the back contact.

Dans cette thèse, la croissance des couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) a été optimisée et étudiée systématiquement. Une étude de calibration de la température du substrat à l'aide d'une caméra infrarouge a été effectuée. La mise au point et l'optimisation d'un procédé en 3 étapes sur un nouveau réacteur de co-évaporation a permis la réalisation de cellules solaires avec un rendement de 16,7 % sans couche antireflet. La clé de ce développement a été le contrôle du gradient de Ga. Les inhomogénéités ont été caractérisées par une nouvelle approche basée sur le décapage chimique de l'absorbeur. Des caractérisations ex situ à différentes étapes de la croissance ont révélé l'importance des phases intermédiaires sur les mécanismes de croissance, le gradient de composition en profondeur et la morphologie des couches. L'interface absorbeur/couche tampon a été étudiée en variant la composition en surface du CIGS pour des couches tampons de CdS et Zn(S,O). Il a été montré qu'une adaptation de la composition en surface est favorable pour le remplacement de la couche tampon de CdS par Zn(S,O). Des rendements équivalents ont été obtenus pour ces deux matériaux si ils sont combinés avec la composition da Ga optimale correspondante. Des mesures courant-tension à basse température indiquent une position de la bande de condition plus basse que celle trouvée dans la littérature. Pour une optimisation ultérieure de nos cellules solaires vers et au-delà de 20 % de rendement, trois axes sont proposées : L'optimisation de la finalisation de l'absorbeur, la réduction de l'absorption par la couche tampon et l'incorporation de potassium ayant des effets positifs sur les propriétés du CIGS. / In this thesis the growth of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin films by co-evaporation has been optimised and studied systematically. Being a key parameter, the substrate temperature has been calibrated with an infrared camera. The set-up and optimisation of a three-stage process at a new co-evaporation reactor has led to cell efficiencies up to 16.7 % without anti-reflection coating. The key for this achievement was the control of the Ga gradient. In depth inhomogeneities have been characterised by a novel method based on chemical etching of the absorber layer. Break-off experiments during the 3-stage process unveiled the importance of precursor and intermediate phases on growth mechanisms, in-depth compositional gradients and film morphology. The absorber/buffer layer interface has been investigated by varying the CIGS surface composition for solar cells both with a CdS and a Zn(O,S)-based buffer layer. It has been shown that an adaptation of the CIGS surface composition is beneficial for the replacement of the CdS by a Zn(O,S) buffer layer. Equivalent efficiencies can be achieved with the two buffer layers if each of them is combined with the corresponding optimal interface Ga composition. Low temperature current-voltage measurements indicate a lower conduction band offset at the CIGS/Zn(O,S) buffer layer as reported in the literature. For the further optimisation of our CIGS devices towards 20 % and beyond three routes are proposed: the optimisation of the absorber layer deposition finalisation, the reduction of detrimental absorption in the buffer layer (larger band gap or thinner buffer) and the incorporation of potassium which has beneficial effects on CIGS.

La mission Darwin, un projet d'interférométrie spatiale initié par l'ESA, nécessite l'utilisation de filtres modaux fonctionnant dans la gamme spectrale [6-20 µm]. Dans le cadre de ce travail, nous proposons la réalisation de filtres modaux basés sur des guides d'onde « tout tellurures » obtenus par la méthode d'empilement et de gravure. L'originalité de ce travail réside dans le fait que les guides réalisés sont de grandes dimensions (couches épaisses et profondeurs de gravure importantes), pour satisfaire aux exigences du projet. La première étape a donc consisté à choisir une méthode de dépôt qui permette d'obtenir des couches épaisses. La co-évaporation thermique a ainsi été mise en place et les paramètres de dépôt optimisés. Des couches d'épaisseur pouvant atteindre 17 µm, de bonne qualité (adhérentes, amorphes, denses et homogènes), transparentes de 6 à 20 µm et d'indice de réfraction contrôlé ont pu être obtenues. La gravure physique réactive (RIE) de ces couches, en utilisant un mélange gazeux CHF3/O2/Ar, a constitué la deuxième partie de ce travail. L'obtention de marches de profondeur pouvant dépasser 10 µm, présentant des profils de gravure de qualité, a été démontrée. Les différents guides d'onde IR réalisés ont été caractérisés optiquement après préparation de leurs faces d'entrée et de sortie. L'observation d'un bon confinement de la lumière sur un banc de guidage à λ = 10,6 µm et l'obtention d'un taux de réjection de 10-3 sur un banc d'interférométrie annulante nous ont permis de confirmer que les guides d'onde à base de couches tellurures et réalisés par la méthode d'empilement et de gravure constituaient une solution de choix en tant que filtres modaux pour l'interférométrie spatiale. / The Darwin mission, an interferometric spatial project initiated by ESA, requires modal filters being able to work in the whole spectral range [6-20 µm]. In the framework of this work, we propose the realization of modal filters based on waveguides obtained by stacking and etching chalcogenide films. The originality of this work lies in the fact that the realized waveguides have large dimensions (thick films and deep etching), to satisfy the project requirements. The first step consisted in choosing the deposition method which allows obtaining thick films. The thermal co-evaporation was setting up and the deposition parameters were optimized. Films with thickness which can reach 17 µm, of good quality (adhesive, amorphous, dense and homogeneous), transparent from 6 to 20 µm and with controlled refractive index were obtained. The physical reactive etching of these films, by using a gas mixture CHF3/O2/Ar, constituted the second part of this work. The obtaining of deep rib which can exceed 10 µm, presenting etching profiles of good quality was demonstrated. The elaborated IR waveguides were optically characterized after preparation of their entrance and exit faces. The observation of light confinement on a guiding bench at λ = 10.6 µm and the obtaining of a rejection rate of 10-3 on a nulling interferometry bench allowed confirming that the waveguides based on the stacking and etching of telluride films was a choice solution as modal filters for the spatial interferometry.

Dans un contexte où les besoins en capteurs de gaz sont de plus en plus importants, en particulier pour la métrologie de l'environnement, il est proposé dans ce travail la réalisation de guides d'onde droits, de guides spirales, de jonctions Y,…, éléments indispensables pour la fabrication de micro-capteurs optiques infrarouges. La réalisation de ces différents éléments, par empilement et gravure de couches amorphes du système ternaire Ge-Se-Te, a nécessité en premier lieu l'étude du dit système. Des couches minces Ge-Se-Te de compositions très différentes ont été déposées par co-évaporation thermique, puis caractérisées en termes d'homogénéité, stabilité thermique, gap optique et indice de réfraction. L'évolution des propriétés en fonction de la composition a ensuite permis de mettre en évidence un domaine de compositions du système Ge-Se-Te particulièrement attractif : dans ce domaine, correspondant aux compositions riches en sélénium (plus de 55 % atomique) et contenant entre 20 et 30 % de germanium, les couches sont en effet monophasées, caractérisées par des températures de transition vitreuse élevées, une grande stabilité thermique, et un domaine de transparence s'étendant de 1 à 16 µm environ. Dans ce domaine de compositions, deux d'entre elles ont été choisies, Ge25Te10Se65 et Ge25Te20Se55, et utilisées pour fabriquer différents circuits d'optique intégrée. Les éléments les plus simples, à savoir des guides d'onde canaux, ont été réalisés en déposant successivement deux couches (Ge25Te10Se65 puis Ge25Te20Se55) sur un substrat silicium, puis en modifiant la géométrie de la couche supérieure d'indice de réfraction plus élevé par usinage ionique, de sorte à obtenir un confinement bidimensionnel de la lumière. Les pertes de propagation de ces guides ont été estimées à 1 dB.cm-1 à la longueur d'onde 1,55 µm. D'autres éléments plus complexes ont ensuite été fabriqués : des guides d'onde courbes pour lesquels les propriétés de guidage ont été obtenues quel que soit le rayon de courbure, des guides spirales ayant donné lieu à un bon guidage de la lumière, des jonctions Y caractérisées par une division satisfaisante de l'intensité lumineuse, ainsi que des interféromètres de type Mach-Zehnder en sortie desquels la lumière a été correctement recombinée. / In a context where the needs for gas sensors are increasingly important, especially for environmental metrology, it is proposed in this work to achieve straight waveguides, spirals, Y-junctions, ..., elements essential for the fabrication of infrared optical micro-sensors. The realization of these elements, by stacking and etching of amorphous thin films from the Ge-Se-Te ternary system, first required the study of this system. Ge-Se-Te thin films of very different compositions were deposited by thermal co-evaporation and characterized in terms of uniformity, thermal stability, optical band gap and refractive index. The evolution of the film properties with the composition was then used to highlight a particularly attractive area of compositions in the Ge-Se-Te system: in this domain, corresponding to compositions rich in Se (more than 55 atomic %) and containing between 20 and 30 atomic % in Ge, the layers are indeed single-phase, characterized by high glass transition temperatures, high thermal stability, and a transparency window extending from 1 to about 16 microns. In this composition region, two of them were selected, Ge25Te10Se65 and Ge25Te20Se55, and used to realize different integrated optics circuits. The simplest elements, which are channel waveguides, were made by depositing successively two layers (Ge25Te10Se65 then Ge25Te20Se55) on a silicon substrate, and then by modifying the geometry of the higher refractive index top layer by ion beam etching, so as to obtain a two-dimensional confinement of light. Propagation losses of these straight waveguides were estimated at 1 dB.cm-1 at the 1.55 µm wavelength. Other more complex elements were then fabricated: S-bent waveguides for which the guiding properties were obtained whatever the curvature radius, operational spiral waveguides, Y-junctions able of a satisfactory division of the light intensity, and Mach-Zehnder interferometers at the output of which the light was successfully recombined.