Montréal Trigonix inc. 2018

Dans cette thèse, deux semi-conducteurs en séléniure ayant d'excellentes propriétés ont été étudiés afin de développer des matériaux performants pour des applications photoélectriques. Tout d'abord, les nanorodes de Sb2Se3 ont été synthétisés en utilisant une méthode d'injection à chaud, et le plus grand défi associé à la faible conductivité de Sb2Se3 a été relevé en formant des hétérojonctions et/ou par un dopage. Les nanorodes de Sb2Se3 à conductivité électrique nettement améliorée ont été utilisés pour fabriquer des photo-détecteurs prototypes, qui présentent un grand potentiel d'application grâce à leur grande efficacité. Le Sb2Se3 dopés au Sn a été préparé en utilisant un procédé de fusion à haute température. Avec l'augmentation de la concentration en Sn, les cristaux (SnxSb1-x)2Se3 présentent également une grande amélioration de la conductivité et des propriétés photoconductrices. Quatre cibles à base de Sb2Se3 avec la composition chimique de Sb2Se3, Sb2Se3.3, (Sn0.1Sb0.9)2Se3 et Sb2(Se0.9I0.1)3 ont été préparées et les couches minces ont été déposées en utilisant la pulvérisation cathodique. Une étude systématique de la cristallinité, de la morphologie de surface, des propriétés optiques, du type de conduction (p ou n) et des performances photo-électro-chimique des couches minces a été réalisée. Une nouvelle cellule solaire à couches minces de Sb2Se3 avec une quasi-homojonction a été fabriquée pour la première fois et le rendement de conversion atteint déjà un taux très intéressant de 2,65%. Une méthode efficace d'injection à chaud a également été développée pour la synthèse de nano-fleurs uniformes de γ-In2Se3. Une photodiode à hétérojonction formée en déposant une couche mince de nanoflower γ-In2Se3, du type p, sur un substrat en Si de type n, a été fabriquée pour la première fois. Il a été démontré que ce photo-détecteur peut être auto-alimenté avec d'excellentes performances, notamment une réponse rapide et une sensibilité à large bande. / In this dissertation, two different selenide semiconductors with excellent properties have been studied in order to develop high performance materials and devices for photoelectric applications. Firstly, Sb2Se3 nanorods were synthesized via hot-injection method, and the biggest challenge of low conductivity of Sb2Se3 nanorods has been overcome successfully by forming heterojunction and/or doping. The Sb2Se3 nanorods with enhanced electrical conductivity were used for fabricating prototype photodetectors, which show great application potential as highly efficient photodetectors. The Sn-doped Sb2Se3 crystals were successfully prepared by using high-temperature melting process. With increasing Sn doping concentration, the (SnxSb1-x)2Se3 crystals also exhibit a great improvement of conductivity and photoconductive properties. Four Sb2Se3-based targets with the chemical composition of Sb2Se3, Sb2Se3.3, (Sn0.1Sb0.9)2Se3 and Sb2(Se0.9I0.1)3 have been successfully prepared by using high-temperature melting technique. Then thin films have been deposited by using RF magnetron-assisted sputtering. A systematic investigation of the crystallinity, surface morphology, optical properties, p/n type and photo-electro-chemical performance of the thin films has been performed. A novel quasi-homojunction Sb2Se3 thin film solar cells was fabricated for the first time and the highest conversion efficiency obtained in our work reaches already a highly interesting 2.65%. An effective hot-injection method has also been developed for synthesizing uniform γ-In2Se3 nanoflowers. An efficient heterojunction photodiode formed by n-type Si substrate and p-type γ-In2Se3 nanoflower film was fabricated for the first time. It has been demonstrated that this photodetector can be self-powered with excellent performance including fast response and broadband sensibility.

Ce travail porte sur les composés semi-conducteurs à base de séléniures pour la conversion d'énergie par effet photovoltaïque ou thermoélectrique. Une nouvelle famille de céramiques Cu₂GeSe₃-Sb₂Se₃ avec une microstructure unique a été synthétise par un procédé de fusion-trempe. L'influence de la composition du matériau et de l'ajout de l’iode sur la microstructure et les propriétés photoélectriques a été étudiée. Le réseau d’hétérojonctions formé par deux semi-conducteurs à bande interdite relativement étroite a un effet évident sur les propriétés photoélectriques. Le système Cu₃SbSe₄-Sb₂Se₃ a également été étudié avec l'objectif d'éliminer le germanium qui est un élément relativement rare. Et les résultats indiquent que le Cu3SbSe4 peut remplacer le Cu2GeSe3 pour former des hétérojonctions avec Sb₂Se₃, en maintenant une séparation et un transport de charges efficaces. Une approche basée sur une injection à chaud a été utilisée pour la synthèse de matériaux semi-conducteurs à base de séléniures pour des applications photovoltaïque ou thermoélectrique. Des nanoparticules et nano-feuillets monocristallins bidimensionnels de CuSe de haute qualité et ont été obtenus. La structure des nanocristaux de Cu₃Sb₁₋ₓSnxSe₄ a été étudiée et le mécanisme de formation des nano-feuillets a été proposé. Des nanoparticules de Cu₃Sb₁₋ₓSnxSe₄ avec une distribution de taille étroite ont été également synthétisées avec le procédé d’injection à chaud. Ces nanoparticules ont été utilisées comme précurseurs pour la préparation de matériaux massifs par pressage à chaud. Leur performance thermoélectrique a été étudiée. / This work was focused on selenide semiconducting compounds for energy conversion by photovoltaic or thermoelectric effect. A totally new family of Cu₂GeSe₃-Sb₂Se₃ ceramics with a unique microstructure was fabricated directly by melt-quenching method. The influence of the material composition and the iodine addition on the microstructure and photoelectrical properties was investigated. The interpenetrating heterojunction network formed by two relatively narrow bandgap semiconductors has an obvious enhancement effect on the photoelectrical properties. The Cu₃SbSe₄-Sb₂Se₃ system has also been studied with the objective to eliminate the germanium which is a relatively rare element. And the results indicated that Cu₃SbSe₄ can substitute the Cu₂GeSe₃ to form heterojunctions with Sb₂Se₃, maintaining the efficient charge separation and transport. A hot-injection based-approach has been used for the synthesis of selenide semiconducting materials for photovoltaic or thermoelectric applications. CuSe nanoparticles and CuSe nanoplates with high quality single-crystals and two dimensional nanostructure were prepared. The structure of the nanocrystals has been studied and the mechanism of the nanoplates formation has been proposed. Cu₃Sb₁₋ₓSnxSe₄ nanoparticles with a narrow size distribution had also been synthesized through the hot-injection route. They have been used as precursors for the preparation of bulk materials by hot-pressing and their thermoelectric performances have been studied.

Ce travail repose sur le développement de la croissance, par épitaxie par jets moléculaires, d'hétérostructures présentant une alliance de deux familles de matériaux semi-conducteurs: les tellurures et les séléniures. Il tend à montrer l'originalité des propriétés physique spécifiques de cette association en développant deux cas: les puits et les boîtes quantiques de type-II ZnTe/ZnSe et les centres isoélectroniques CdTe:Se.<br /> Pour ZnTe fortement contraint sur ZnSe, une transition morphologique de type Stranski-Krastanow non-standard a été observée. La formation d'îlots nanométriques a pu être obtenue grâce à un traitement de surface à base de Te amorphe. Lors de leur encapsulation, nous avons été confrontés à une disparition totale de ces îlots. Nous proposons de nouvelles conditions de croissance qui limitent les phénomènes de ségrégation, ou d'échange Se/Te, et préservent en partie les îlots. Cependant les nanostructures obtenues ne contiennent pas ZnTe sous forme binaire pure mais sous forme d'alliage ordonné ZnSeTe.<br /> Les propriétés de photoluminescence d'un plan de boîtes quantiques et celles d'un puits quantique ZnTe/ZnSe sont analysées et comparées. Nous proposons un modèle capable de décrire parfaitement les différents résultats optiques spécifiques d'un système où l'alignement de bande est de type-II. Ce modèle est basé sur des arguments statistiques et électrostatiques.<br />La dernière partie traite de l'insertion d'atomes de sélénium dans CdTe sous forme d'un dopage planaire. Des centres isoélectroniques sélénium ont pu être isolés. Une mesure du dégroupement des photons émis montre que ces objets individuels se comportent comme des émetteurs de photons uniques.