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Thin films of CuInSe2 can be completely converted into CuInS2 after annealing in elemental sulfur vapor. In this thesis, the sulfide conversion process was done in an MBE chamber and the film was exposed to a heated sulfur source. Our experiments showed that complete conversion of a 1.0 £gm-thick CuInSe2 film into CuInS2 was achieved when the film was annealed in a sulfur beam flux of 4.5x1016 atoms/cm2-sec at 450¢J for 5 minutes. This is the shortest conversion time ever reported for the same annealing temperature. The speed of conversion process depended on sulfur vapor flux, film crystallinity, and original film composition. Among them, the film composition was the most important factor. The presence of Cu2Se phase in Cu-rich CuInSe2 film enhances the sulfide conversion process and confirmed by KCN etching of a Cu-rich sample. The role of Cu2Se phase in sulfide conversion was investigated. The sulfide conversion mechanism also presented in this work.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la recherche d'une amélioration des conditions de réalisation des dispositifs photovoltaïques à base du matériau semiconducteur ternaire CuInS2, qui doit constituer la couche absorbante dans la cellule solaire. Différentes techniques économiquement rentables ont été retenues pour l'élaboration de ce matériau : nous avons sélectionné le dépôt chimique en solution (CBD), la pulvérisation chimique réactive avec air (spray) et la pulvérisation chimique réactive sans air (PSA). Les matériaux élaborés ont été inclus dans des dispositifs photovoltaïques, pour lesquels le CuInS2 est réalisé soit avec la méthode PSA (CuInS2/ZnO/SnO2/verre ou CuInS2/In2S3/ZnO/SnO2/verre), soit avec la méthode de spray (CuInS2/In2S3:Al/SnO2/pyrex ou CuInS2/ZnS:In/SnO2/pyrex).Globalement, les propriétés structurales, morphologiques et optiques sont satisfaisantes. Pour les cellules incluant le CuInS2 déposé par spray, le photo-courant existe et atteint jusqu'à 200 µA dans le cas de la cellule CuInS2/ZnS:In/SnO2/pyrex, ou environ 4 A/cm2. / Photovoltaic solar cells based on I–III–VI2 ternary chalcopyrite absorber layers, have been the focus of intense investigation for over two decades. The use of chalcopyrite absorbers are highly appealing since their bandgaps correlate well to the maximum photon power density in the solar spectrum. Cu-chalcopyrite semiconductors have been studied extensively in recent years due to their applications as absorbers for large-area low-cost photovoltaic devices. CuInS2 as a chalcopyrite-semiconductor material has a direct band gap of 1.5 eV, a high absorption coefficient and nontoxic constituents and is, therefore, a promising candidate for photovoltaic applications. Different methods have been used to prepare CuInS2 films. Among these methods, spray pyrolysis, used in the present study, is an attractive one because large-area films with good uniformity may be prepared at low cost.

In dieser Arbeit wurde das reaktive Anlassen von dünnen Kupfer-Indium-Schichten in elementarem Schwefel mittels energiedispersiver Röntgenbeugung untersucht. Durch die simultane Aufnahme der Röntgenspektren und der Messung der diffusen Reflexion von Laserlicht der Wellenlänge 635 nm an der Oberfläche der Probe während des Schichtwachstums von CuInS<SUB>2</SUB> konnte eine Methode zur Prozesskontrolle für ein Herstellungsverfahren von CuInS<SUB>2</SUB> etabliert werden. <br><br>Die Bildung von CuInS<SUB>2</SUB> aus Kupfer-Indium-Vorläuferschichten wird dominiert von Umwandlungen der intermetallischen Phasen. CuInS<SUB>2</SUB> wächst innerhalb der Aufheizperiode ab einer Temperatur von ca. 200°C aus der Phase Cu₁₁In₉. Jedoch zerfällt letztere metallische Phase in Cu₁₆In₉ und flüssiges Indium bei einer Temperatur von ca. 310°C. Das flüssige Indium reagiert im Falle von Kupferarmut mit dem Schwefel und führt zu einem zusätzlichen Reaktionspfad über InS zu CuIn₅S₈. Unter Präparationsbedingungen mit Kupferüberschuss wird das Indium in einer intermetallischen Phase gebunden.<br><br>Erstmals konnte die Phase Digenite bei Temperaturen über 240°C beobachtet werden. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur wandelt sich diese Phase unter dem Verbrauch von Schwefel in Covellite um.<br><br>Für Proben mit Kupferüberschuss konnte eine Wachstumskinetik proportional zur Temperatur beobachtet werden. Dieses Verhalten wurde durch eine stress-induzierte Diffusion als dominierenden Reaktionsmechanismus interpretiert. Dabei werden während der Bildung von CuInS<SUB>2</SUB> durch unterschiedliche Ausdehnungen der metallischen und sulfidischen Schichten eine Spannung in der CuInS<SUB>2</SUB>-Schicht induziert, die nach Überschreiten einer Grenzspannung zu Rissen in der CuInS₂-Schicht führt. Entlang dieser Risse findet ein schneller Transport der Metalle zur Oberfläche, wo diese mit dem Schwefel reagieren können, statt. Die Risse heilen durch die Bildung neuen Sulfids wieder aus. / In this work the reactive annealing of thin copper and indium films in elemental sulphur was investigated by energy dispersive X-ray diffraction. Measuring simultanously laser light diffusively reflected from the growth surface, a simple method for process monitoring could be established. The process monitoring using 635 nm laser light can now independently be used in production.<br><br>The growth of CuInS<SUB>2</SUB> from copper-indium precursors is dominated by transitions between intermetallic phases. CuInS<SUB>2</SUB> growths in the heat up period above 200 °C from the phase Cu<SUB>11</SUB>In<SUB>9</SUB>. However the latter metallic phase decomposes into Cu<SUB>16</SUB>In<SUB>9</SUB> and liquid indium at a temperature of 310 °C. The liquid indium reacts in the case of copper deficiency with sulphur to InS. This leads to an additional reaction path via InS to CuIn<SUB>5</SUB>S<SUB>8</SUB>. Under preparation conditions with copper excess to the contrary, indium is bound in an intermetallic phase.<br><br>For the first time the phase Digenite could be observed in a growth experiment at temperatures above 240 °C. During cool down to room temperature this phase transforms to Covellite by consumption of sulphur.<br><br>For samples with copper excess a growth kinetic proportional to the temperature was observed. This behaviour is interpreted by a stress induced reaction mechanism: During the formation of CuInS<SUB>2</SUB>, strain in the CuInS<SUB>2</SUB> thin film is induced due to different expansion coefficients of the metallic and sulphurous phases. After transgression of a certain strain limit, cracks within CuInS<SUB>2</SUB> are formed. Along these cracks, fast transport of metallic species to the surface can occur. There these species can react with the sulphur. The cracks can heal up by the formation of new sulphides.

Cette thèse porte sur l’étude de nanocristaux semi-conducteurs ternaires, et leur application dansdes cellules solaires hybrides organiques/inorganiques. Les nanocristaux semi-conducteurs absorbentla lumière à des longueurs d’ondes déterminées par leur taille et leur composition, et conduisent lescharges électriques. Ils sont stables en solution, ce qui permet un dépôt de couches minces à bascout. Aujourd’hui les meilleurs rendements en cellules solaires hybrides sont obtenus à partir de nanocristauxbinaires contenant soit du plomb, soit du cadmium. Les nanocristaux ternaires conserventles propriétés particulières des nanocristaux binaires tout en permettant de s’affranchir des élémentstoxiques. Cependant, leur synthèse reste à optimiser pour contrôler de leur structure cristalline et leurcomposition.Nous avons réalisé, par voie chimique, la synthèse de nanocristaux de CuInS2 de taille et de compositioncontrôlées. En suivant in situ la synthèse de ces nanocristaux par diffraction des rayons X sous rayonnementsynchrotron nous avons trouvé que les précurseurs s’organisent avant nucléation sous forme deplans espacés par deux longueurs du ligand utilisé (ici dodécanethiol, DDT). Cela impacte nucléationet croissance des nanocristaux. Les ligands stabilisent les nanocristaux en solution colloïdale, maisleur caractère isolant peut inhiber le transfert et le transport de charges. Le remplacement du ligandd’origine (DDT) par un ligand plus court, l’éthylhexanethiol (EHT), modifie les niveaux d’énergie etpermet d’augmenter la conductivité des films de nanocristaux. Nous avons intégré des nanocristauxde CuInS2 entourés d’EHT dans des cellules hybrides constituées d’un polymère conjugué (P3HT) etd’un fullerène (PCBM). L’efficacité des cellules solaires contenant des nanocristaux entourés d’EHTest significativement améliorée par rapport à celle des cellules de P3HT :PCBM réalisées dans lesmêmes conditions. Le transfert et la mobilité des charges sont étudiés par RPE sous éclairement etphoto-CELIV respectivement. De ces études il ressort que l’amélioration des cellules provient d’unemeilleure génération et dissociation des charges. / This work is devoted to the study of ternary semiconductor nanocrystals, and their application inhybrid organic/inorganic solar cells. Semiconductor nanocrystals absorb light at controlled wavelength(depending on their size and composition) and are able to transport charges. They form a colloidalsolution in organic solvent compatible with low-cost deposition in thin films. Nowadays, the bestefficiency for such hybrid solar cells is obtained with binary nanocrystals containing lead or cadmium.Ternary nanocrystals preserve the opticla and electronic properties of binary nanocrystals withoutrelying on toxic elements, but it is still a challenge to control their composition and structure.In this thesis, CuInS2 nanocrystals of controlled size and composition were syntesized. A study ofnucleation and growth was carried out by following the synthesis in situ with X-ray radiation at thesynchrotron. This has shown that precursors’ organize themselves into plans of atoms separated by twotimes the length of the ligand (here dodecanethiol, DDT). Ligands stabilize the nanocrystals in colloidalsolution, but their insulating character inhibits efficient charge transfer and transport. Ligand exchangewith ethylhexanethiol (EHT) improves the conductivity of thin films and changethe energetic level ofthe nanocrystals.We studied an approach of hybrid solar cell design, consisting in a bulk heterojunctionof two semiconductor organic components (P3HT and PCBM) and CuInS2 nanocrystals. The efficencyof the cells where nanocrystals are added are better than the one with only P3HT:PCBM. The chargetransfer and mobility was studied by the mean of light induced ESR and CELIV respectively. It hasshown that the improvement of the solar cell efficiency is mainly related to an improvement of thecharge generation and dissociation in the ternary blend.

Les cellules solaires nanostructurées ont été développées pour réduire le coût du photovoltaïque et le rendre compétitif aux autres sources d’énergies. Dans ce but deux cellules solaires ont été étudié durant la thèse: la cellule « eta » (Extremely Thin Absorber) et la cellule hybride à polymères. Dans un premier temps, des couches 2D et nanofils de ZnO ont été réalisés par voie électrochimique sur des substrats verre/TCO (oxyde transparent et conducteur). Il est montré que la température du bain, la densité de charge et la concentration de l’électrolyte support (KCl) infleuncent la morphologie, composition, cristallisation et propriétés optiques des couches. Les films déposés à 0,1 M KCl et à T ≥ 50°C, présente de bonnes propriétés physico-chimiques. La couche 2D est ensuite utilisée pour la croissance des nanofils de ZnO et leurs dimensions sont ajustées avec la moprhologie et l’épaisseur de cette couche. L’électrolyte support et la densité de charge permettent également de contrôler les dimensions des nanofils. Dans un deuxième temps, les nanofils de ZnO ont été photo-sensibilisés par deux types d’absorbeurs : CuInS2 (CIS) et Cu2ZnSnS4 (CZTS). Ils ont été réalisés par différentes méthodes : SILAR (Successive Ion Layer Adsorption and Reaction), électrodépôt et dépôt de nanoparticules pré-synthétisées (pour CIS). Les films préparés par voie SILAR sont très uniformes autour des nanofils. Tandis que ceux réalisés par électrodépôt sont moins homogènes mais de très bonnes qualités cristallines. Grâce à la fonctionnalisation des nanofils, une couche de nanoparticules de CuInS2 très uniforme est déposée. Les cellules « eta » réalisées avec ces structures cœur/coquille montrent un effet photovoltaïque. Les films de ZnO électrodéposés ont été intégrés dans des cellules solaires hybrides à polymères sur substrats verres et plastiques. Ces cellules ont montré de bons rendements et une haute stabilité. / Nanostructured solar cells have been proposed as a solution for photovoltaic cost reduction and to rival the cost of grid-powered electricity. Regarding this challenge, two kinds of solar cells have been studied within the PhD thesis: the Extremely Thin Absorber Solar cells (eta) and the polymer hybrid solar cell. First, we are reporting on the electrochemical deposition of ZnO 2D layers and nanowires on glass substrates covered with TCO (Transparent Conducting Oxide). It is shown that the bath temperature and the supporting electrolyte concentration (KCl) play an important role on the ZnO layer morphology, composition, crystallization and optical properties. The film deposited from 0.1 M KCl and T ≥ 50°C exhibit very good optical and structural properties. These 2D layers are used for consequent ZnO nanowires electrodeposition and their dimensions could be tailored by the seed layer morphology and thickness. The supporting electrolyte concentration and the passed charge density could be additionally used to control their dimensions. Then, the ZnO nanowires have been photosensitized with two absorbers: CuInS2 (CIS) and Cu2ZnSnS4 (CZTS). These materials are prepared by: Successive Ion Layer Adsorption and Reaction (SILAR), electrodeposition and nanoparticules deposition (for CIS). The SILAR films are very uniform around the nanowires. The layers prepared by electrodeposition are less uniform but exhibit very good structural properties. Uniform thin film of CuInS2 nanoparticules are deposited onto functionalized ZnO nanowires. The eta solar cells fabricated with these core/shell nanostructures have shown a photovoltaic effect. The ZnO thin films have been integrated in hybrid solar cells on flexible and rigid substrates. These cells show good power conversion efficiency and a high stability.

Les cellules solaires nanostructurées ont été développées pour réduire le coût du photovoltaïque et le rendre compétitif aux autres sources d'énergies. Dans ce but deux cellules solaires ont été étudié durant la thèse: la cellule " eta " (Extremely Thin Absorber) et la cellule hybride à polymères. Dans un premier temps, des couches 2D et nanofils de ZnO ont été réalisés par voie électrochimique sur des substrats verre/TCO (oxyde transparent et conducteur). Il est montré que la température du bain, la densité de charge et la concentration de l'électrolyte support (KCl) infleuncent la morphologie, composition, cristallisation et propriétés optiques des couches. Les films déposés à 0,1 M KCl et à T ≥ 50°C, présente de bonnes propriétés physico-chimiques. La couche 2D est ensuite utilisée pour la croissance des nanofils de ZnO et leurs dimensions sont ajustées avec la moprhologie et l'épaisseur de cette couche. L'électrolyte support et la densité de charge permettent également de contrôler les dimensions des nanofils. Dans un deuxième temps, les nanofils de ZnO ont été photo-sensibilisés par deux types d'absorbeurs : CuInS2 (CIS) et Cu2ZnSnS4 (CZTS). Ils ont été réalisés par différentes méthodes : SILAR (Successive Ion Layer Adsorption and Reaction), électrodépôt et dépôt de nanoparticules pré-synthétisées (pour CIS). Les films préparés par voie SILAR sont très uniformes autour des nanofils. Tandis que ceux réalisés par électrodépôt sont moins homogènes mais de très bonnes qualités cristallines. Grâce à la fonctionnalisation des nanofils, une couche de nanoparticules de CuInS2 très uniforme est déposée. Les cellules " eta " réalisées avec ces structures cœur/coquille montrent un effet photovoltaïque. Les films de ZnO électrodéposés ont été intégrés dans des cellules solaires hybrides à polymères sur substrats verres et plastiques. Ces cellules ont montré de bons rendements et une haute stabilité.

Cette thèse porte sur l'étude de nanocristaux semi-conducteurs ternaires, et leur application dansdes cellules solaires hybrides organiques/inorganiques. Les nanocristaux semi-conducteurs absorbentla lumière à des longueurs d'ondes déterminées par leur taille et leur composition, et conduisent lescharges électriques. Ils sont stables en solution, ce qui permet un dépôt de couches minces à bascout. Aujourd'hui les meilleurs rendements en cellules solaires hybrides sont obtenus à partir de nanocristauxbinaires contenant soit du plomb, soit du cadmium. Les nanocristaux ternaires conserventles propriétés particulières des nanocristaux binaires tout en permettant de s'affranchir des élémentstoxiques. Cependant, leur synthèse reste à optimiser pour contrôler de leur structure cristalline et leurcomposition.Nous avons réalisé, par voie chimique, la synthèse de nanocristaux de CuInS2 de taille et de compositioncontrôlées. En suivant in situ la synthèse de ces nanocristaux par diffraction des rayons X sous rayonnementsynchrotron nous avons trouvé que les précurseurs s'organisent avant nucléation sous forme deplans espacés par deux longueurs du ligand utilisé (ici dodécanethiol, DDT). Cela impacte nucléationet croissance des nanocristaux. Les ligands stabilisent les nanocristaux en solution colloïdale, maisleur caractère isolant peut inhiber le transfert et le transport de charges. Le remplacement du ligandd'origine (DDT) par un ligand plus court, l'éthylhexanethiol (EHT), modifie les niveaux d'énergie etpermet d'augmenter la conductivité des films de nanocristaux. Nous avons intégré des nanocristauxde CuInS2 entourés d'EHT dans des cellules hybrides constituées d'un polymère conjugué (P3HT) etd'un fullerène (PCBM). L'efficacité des cellules solaires contenant des nanocristaux entourés d'EHTest significativement améliorée par rapport à celle des cellules de P3HT :PCBM réalisées dans lesmêmes conditions. Le transfert et la mobilité des charges sont étudiés par RPE sous éclairement etphoto-CELIV respectivement. De ces études il ressort que l'amélioration des cellules provient d'unemeilleure génération et dissociation des charges.

Στην παρούσα Ειδική Ερευνητική Εργασία ερευνώνται οι οπτικές ιδιότητες των νανοκρυσταλλικών κβαντικών τελειών CuInS2/ZnS, γνωστές ως CIS/ZnS QDs, τόσο με τη χρήση φασματοσκοπίας σταθερής κατάστασης όσο και με τη χρήση φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης με την τεχνική Time Correlated Single Photon Counting. Ειδικότερα, διερευνώνται οι μηχανισμοί που εμπλέκονται στη διαδικασία της εκπομπής φωτός, η επίδραση που έχει η πολικότητα του διαλύτη και η συγκέντρωση των κβαντικών τελειών, όταν είναι διαλυμένες εντός διαλύματος, καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των κβαντικών τελειών όταν είναι εναποτιθέμενες σε υμένια, είτε με την τεχνική drop-casting είτε με spin-coating. Τόσο η αύξηση της συγκέντρωσης των κβαντικών τελειών όσο και η αύξηση της πολικότητας του διαλύτη προκάλεσε τη μετατόπιση του εξιτονικού ώμου και του μήκους κύματος μέγιστης εκπομπής προς το ερυθρό, στα φάσματα σταθερής κατάστασης. Επίσης η μετατόπιση της φωτοφωταύγειας των CIS/ZnS QDs προς το ερυθρό ήταν μεγαλύτερη στα υμένια που είχαν παρασκευασθεί με την τεχνική drop-casting από τα υμένια με το ίδιο υπόστρωμα που είχαν παρασκευασθεί με την τεχνική spin-coating. Με χρήση φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης, ανιχνεύθηκε η ύπαρξη τριών μηχανισμών στα διαλύματα με χρόνους ζωής 1-3, 20-40 και 200-300 ns, ενώ στα υμένια προστέθηκε ένας επιπλέον μηχανισμός με χρόνο ζωής από μερικές εκατοντάδες ps έως 4 ns. Ο χαρακτήρας της αποδιέγερσης των QDs στα υμένια κυμαίνεται μεταξύ διεκθετικού και τετραεκθετικού ανάλογα με το δείγμα και το μήκος κύματος ανίχνευσης. Το περίεργο χαρακτηριστικό του νέου μηχανισμού που ανιχνεύθηκε στα υμένια είναι ότι γίνεται πιο γρήγορος και πιο αποδοτικός καθώς το μήκος κύματος ανίχνευσης αυξάνει. Ένας παρόμοιος μηχανισμός δεν έχει αναφερθεί σε άλλες εργασίες με CIS/ZnS QDs, ενώ έχει αναφερθεί σε παλιότερες εργασίες με PbS QDs τόσο σε διαλύματα όσο και σε στερεά υμένια. Η μετατόπιση των πυκνών υμενίων προς το ερυθρό σε σχέση με τα αραιά αποτελεί ένδειξη της ύπαρξης μεταφοράς ενέργειας μεταξύ QDs διαφορετικών μεγεθών. / In this Master Thesis, the optical properties of CuInS2/ZnS nanocrystal quantum dots are investigated. For this purpose both steady state and time resolved spectroscopy, specifically the Time Correlated Single Photon Counting technique, were used. The photoluminescence properties of CuInS2/ZnS quantum dots, commonly known as CIS/ZnS QDs, either dissolved in solutions of different concentrations and solvent polarities or deposited on films made by spin-coating or drop-casting are studied. Either in the absorption and the photoluminescence steady state spectra, a red-shift both in the excitonic transition and the wavelength of the maximum intensity was observed as the concentration of the CIS/ZnS QDs or the polarity of the solvent increased. In films, a red-shifted photoluminescence spectrum is observed for films made by drop-casting compared to those prepared by spin-coating, having the same substrate material. By using time-resolved photoluminescence spectroscopy a three-exponential decay was observed in solutions, with time constants 1-3, 20-40 and 200-300 ns, while decays in films, apart from the three mechanisms also observed in solutions, also exhibit a fast decay component with a lifetime varying from some hundreds of ps until 4 ns. The attitude of the decay in films varies from two-exponential to four-exponential and it depends on the samples and the detection wavelength. The strange characteristic of the new mechanism which was detected in films is that its lifetime becomes shorter and its pre-exponential factor increases with the detection wavelength. To the best of our knowledge, such a faster decay as the emission wavelength increases has never been reported for CIS/ZnS QDs, but it has been reported for PbS QDs either diluted in solution or deposited in polymeric matrices. The time resolved photoluminescence spectra in the drop-casted films experience a larger transient red-shift than the spin-coated ones, indicative of a possible energy transfer among adjacent QDs with different diameters.