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What enables GaOx as hole transport layer for a 16 percent 1.0 eV CuInSe2 Bottom Cells with VOC above 550 mV?

Cet article démontre qu'une couche de transport de trous de GaOx conductrice et partiellement cristalline, formée par échange d'ions lors de la co-évaporation sans nécessiter de Cu, de Na ou d'alcalins lourds supplémentaires, permet à une cellule solaire à base de CuInSe2 pur d'atteindre une tension en circuit ouvert certifiée record de 552 mV et une efficacité de surface active dépassant 16 %.

Auteurs originaux : Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Su

Publié 2026-07-01

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Susanne Siebentritt

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez une cellule solaire comme une usine très occupée qui transforme la lumière du soleil en électricité. À l'intérieur de cette usine, il y a un plancher de production principal (l'« absorbeur ») où la magie opère, et un quai de déchargement à l'arrière (le « contact arrière ») par lequel les produits finis (l'électricité) sortent du bâtiment.

Pendant longtemps, les scientifiques ont essayé de construire un type spécifique d'usine solaire utilisant un matériau appelé CuInSe2 (Cuivre-Indium-Sélénium). Ce matériau est spécial car il est comme un matériau « Goldilocks » : il est juste ce qu'il faut pour capturer la partie de la lumière solaire à plus basse énergie, ce qui est crucial pour construire des cellules tandem (deux couches superposées) super efficaces.

Le Problème : Une porte arrière qui fuit

Lorsque l'électricité tentait de sortir de l'usine par la porte arrière (le contact métallique), elle se perdait. Au lieu de circuler vers votre maison pour fournir de l'énergie, les électrons s'écrasaient contre le mur et disparaissaient. C'est ce qu'on appelle la « recombinaison ». C'est comme si des ouvriers essayaient de quitter un bâtiment mais restaient coincés dans une porte tambour qui les fait repartir à l'intérieur. Cette fuite causait une très faible production de tension, limitant ainsi l'efficacité.

La Solution : Un « Portier » Intelligent (GaOx)

Les chercheurs de cet article ont découvert une façon ingénieuse de réparer la porte qui fuit. Ils ont installé une couche de « portier » spéciale faite d'un matériau appelé Oxyde de Gallium (GaOx), située juste entre le plancher de production et le quai de déchargement.

Voyez cette couche de GaOx comme un videur intelligent :

Il bloque les méchants : Il empêche les électrons de s'écraser contre le mur arrière et de se perdre (il « passive » le contact).
Il laisse passer les bons gars : Étonnamment, ce videur est aussi un conducteur pour les « trous » (les charges positives qui doivent sortir). Habituellement, l'oxyde de gallium est un isolant (comme un mur de briques), mais dans cette configuration spécifique, il est devenu une autoroute pour que l'électricité circule vers l'extérieur.

La Grande Découverte : Pas d'ingrédients supplémentaires nécessaires

Avant cette étude, les scientifiques pensaient qu'ils devaient ajouter des « ingrédients » supplémentaires pour faire fonctionner ce videur. Ils pensaient qu'ils devaient :

Ajouter du Cuivre supplémentaire : Comme ajouter un lubrifiant spécial aux charnières de la porte.
Ajouter du Sodium : Comme embaucher un gestionnaire spécifique pour organiser les ouvriers.
Le chauffer avec du Cuivre : Comme cuire la porte pour la faire fonctionner.

La conclusion principale de l'article est qu'aucune de ces étapes supplémentaires n'était réellement nécessaire.

Les chercheurs ont testé trois scénarios différents :

La méthode « Standard » : Ajout de cuivre supplémentaire et cuisson.
La méthode « Sans Cuivre » : Simple cuisson sans ajout de cuivre.
La méthode « Sans Chaleur » : Pas de cuisson du tout.

Résultat : Les trois méthodes ont fonctionné ! La couche de GaOx est devenue une autoroute conductrice pour l'électricité même sans le cuivre supplémentaire ou l'étape de cuisson spéciale. C'est un événement majeur car cela signifie que le processus est plus simple, moins cher et plus facile à adapter pour une production de masse.

L'Ingrédient Secret : La Structure Cristalline

Pourquoi cela a-t-il fonctionné sans le cuivre supplémentaire ? L'article suggère que c'est grâce à la structure de la couche de GaOx.

Dans les expériences précédentes utilisant une méthode liquide (traitement en solution), la couche était désordonnée et amorphe, elle avait donc besoin du cuivre supplémentaire pour aider à la conduction électrique.
Dans cette nouvelle méthode (utilisant une technique de pulvérisation/sputtering), la couche de GaOx s'est formée avec une structure partiellement cristalline. Imaginez la différence entre un tas de sable (désordonné) et un mur de briques soigneusement empilées (cristallin). La structure ordonnée et nette des briques a permis à l'électricité de circuler naturellement, même sans le « lubrifiant » (cuivre).

La Question du Sodium

Les chercheurs ont également vérifié si le Sodium (un élément courant dans le verre) était nécessaire pour faire fonctionner le videur. Ils ont découvert que, bien que le sodium aide le plancher de production principal à mieux fonctionner, il ne contrôle pas le videur. La couche de GaOx fonctionne parfaitement bien même si l'on empêche le sodium d'atteindre le contact. Cela est important car cela signifie que vous pouvez utiliser différents types de verre ou de contacts arrière sans craindre que le videur ne fasse défaut.

Les Résultats : Un Record Battu

En utilisant ce simple videur en GaOx sans ingrédients supplémentaires, l'équipe a construit une cellule solaire qui a atteint :

16 % d'Efficacité : Un score très élevé pour ce type spécifique de matériau à faible bandgap.
552 mV de Tension : C'est un record mondial pour ce matériau spécifique (CuInSe2 sans Gallium). Cela prouve que la « porte qui fuit » a été réparée avec succès.

Le Dernier Obstacle Restant

L'article note un petit problème : le « Facteur de Forme » (la fluidité avec laquelle l'électricité circule) n'est pas encore parfait. C'est comme si l'usine produisait d'excellents produits, mais qu'il y avait encore un peu de bouchons de circulation à l'intérieur du bâtiment. Les chercheurs ont identifié que ce « bouchon de circulation » se produit dans l'espace entre les couches, et non au niveau de la porte arrière. Résoudre ce trafic interne est la prochaine étape pour rendre ces cellules encore plus efficaces.

Résumé

En bref, cet article montre que vous pouvez construire une couche inférieure de cellule solaire hautement efficace en utilisant un « videur » (GaOx) intelligent et simple qui empêche les fuites d'énergie. Le plus beau ? Vous n'avez pas besoin d'étapes complexes, d'ajouts de cuivre ou de niveaux de sodium spécifiques pour le faire fonctionner. Le matériau s'organise naturellement en une structure conductrice, ouvissant la voie à des panneaux solaires plus abordables, plus faciles à fabriquer et super efficaces pour l'avenir.

Résumé technique : La $\text{GaO}_x$ comme couche de transport de trous pour les cellules de fond en $\text{CuInSe}_2$ à 1,0 eV

Énoncé du problème
Les cellules solaires de type chalcopyrite offrent une bande interdite ajustable jusqu'à 1,00 eV, ce qui en fait le candidat idéal pour la cellule de fond des applications photovoltaïques tandem. L'obtention de cette bande interdite étroite nécessite un absorbeur de $\text{CuInSe}_2$ (CISe) pur, sans gallium (Ga). Cependant, les dispositifs en CISe pur souffrent de faibles tensions en circuit ouvert ( $V_{OC}$ ) dues à des vitesses de recombinaison élevées au contact arrière en molibdène (Mo). Bien que les gradients de Ga puissent atténuer ces pertes, ils introduisent des pertes de génération et de rayonnement. Alternativement, des couches de transport de trous (HTL) ont été développées pour passiver le contact arrière. Des recherches antérieures ont démontré qu'une HTL formée par échange ionique entre un précurseur de $\text{CuGaSe}_2$ et une couche d' $\text{InO}_x$ produit une couche de $\text{GaO}_x$ qui passive le contact arrière. Cependant, il a été observé historiquement que la $\text{GaO}_x$ bloque le courant et réduit les facteurs de forme (FF) dans les cellules solaires avec des contacts arrières transparents, particulièrement lorsqu'elle est formée sur des contacts contenant de l'indium. De plus, les implémentations réussies de cette HTL nécessitaient auparavant une étape spécifique de recuit de précurseur de cuivre (Cu) et reposaient sur une $\text{InO}_x$ traitée par voie liquide, ceant soulevant des questions sur la nécessité de ces étapes pour des processus par pulvérisation cathodique (sputtering), plus évolutifs industriellement. De plus, le rôle du sodium (Na) pour permettre la conductivité au sein de la couche de $\text{GaO}_x$ dans cette configuration spécifique restait peu clair.

Méthodologie
Les auteurs ont étudié la formation et les propriétés de transport d'une HTL de $\text{GaO}_x$ dans des cellules solaires de $\text{CuInSe}_2$ pur à 1,0 eV en utilisant une structure Verre/Mo/HTL/CISe/CdS/i-ZnO/AZO/ $\text{MgF}_2$ . La HTL a été construite via une approche à double couche : une couche de $\text{CuGaSe}_2$ pauvre en Cu co-évaporée de 120 nm suivie d'une couche d' $\text{InO}_x$ de 30 nm déposée par pulvérisation RF. Le processus standard de co-évaporation en trois étapes a ensuite été utilisé pour faire croître l'absorbeur de $\text{CuInSe}_2$ de 2,2 µm.

Pour isoler les facteurs permettant la conductivité de la $\text{GaO}_x$ et la passivation, trois variations de traitement distinctes ont été comparées :

« LT » (Basse Température) : Pas de précurseur de Cu supplémentaire et pas de recuit à haute température avant la croissance de l'absorbeur.
« HT » (Haute Température) : Recuit à haute température (500 °C) sans ajout de Cu.
« Cu HT » : Dépôt d'un précurseur de Cu (30–40 nm) suivi d'un recuit à 500 °C, reproduisant les conditions précédemment jugées nécessaires pour les HTL traitées par voie liquide.

De plus, l'étude a exploré le rôle du sodium en déposant des échantillons avec et sans une barrière de $\text{SiO}_x$ pour bloquer la diffusion du Na provenant du substrat de verre soda-lime (SLG). La composition et la cristallinité de la HTL ont été analysées par STEM-EDS, SIMS et HRTEM. Les propriétés optoélectroniques ont été caractérisées par photoluminescence (PL) absolue pour déterminer l'écart des niveaux de Fermi quasi-Fermi (QFLS) et les facteurs de diode optique (ODF), tandis que les performances électriques ont été évaluées par des mesures J-V, la résistance série et l'extraction du facteur de diode électrique (EDF).

Contributions clés et résultats

Conductivité de la $\text{GaO}_x$ sans recuit de Cu : Contrairement aux résultats obtenus avec les HTL traitées par voie liquide, l'étude démontre que l'étape de recuit de précurseur de Cu supplémentaire n'est pas requise pour rendre la couche de $\text{GaO}_x$ déposée par pulvérisation conductrice. Les dispositifs traités sans le précurseur de Cu (« LT ») ont présenté des facteurs de forme et des valeurs de $V_{OC}$ comparables ou supérieurs à ceux avec le précurseur de Cu. La couche de $\text{GaO}_x$ s'est avérée partiellement cristalline, une caractéristique attribuée au traitement thermique lors de la croissance de l'absorbeur, ce qui peut faciliter le transport de charge sans nécessiter de bandes de défauts profondes liées au Cu.
Rôle du Sodium : Bien que le Na soit essentiel pour améliorer la qualité de la matrice du absorbeur $\text{CuInSe}_2$ (comme en témoigne les rendements de PL plus élevés dans les échantillons avec diffusion de Na), l'étude révèle que le Na n'est pas nécessaire pour les propriétés de transport de trous de la $\text{GaO}_x$ elle-même. Les échantillons avec une couche de blocage de Na en $\text{SiO}_x$ ont tout de même atteint une passivation efficace du contact arrière et un bon transport, indiquant que le comportement de blocage observé dans les études bifaciales précédentes n'est pas inhérent à cette conception de HTL lorsqu'elle est déposée par pulvérisation.
Indépendance du flux d'oxygène : Les variations du flux d'oxygène lors du processus de pulvérisation de l' $\text{InO}_x$ n'ont pas montré d'influence systématique sur la passivation ou la conductivité de la couche de $\text{GaO}_x$ résultante.
Performance des dispositifs : Le processus « LT » optimisé a produit une $V_{OC}$ certifiée record de 552 mV pour une cellule de fond de $\text{CuInSe}_2$ pur sans gradients de Ga, sans traitements d'alcalins lourds, ni alliage d'Ag. Le dispositif a atteint une efficacité de surface active de 16,4 % avec un facteur de forme de 69,9 % et un courant de court-circuit ( $J_{SC}$ ) de 42,7 mA/cm².
Facteurs limitants : Malgré la $V_{OC}$ élevée, le facteur de forme reste contraint par un facteur de diode électrique élevé (EDF > 1,6). L'analyse comparant l'ODF de l'absorbeur avec l'EDF de la cellule finie indique que le principal mécanisme de perte est la recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH) dans la région de charge d'espace (SCR), plutôt que la recombinaison de volume ou une simple résistance série.

Signification
Ce travail établit qu'une couche de transport de trous $\text{GaO}_x$ déposée par pulvérisation, formée par échange ionique lors de la croissance de l'absorbeur, peut efficacement passiver le contact arrière des cellules de $\text{CuInSe}_2$ pur sans nécessiter d'étapes complexes de recuit de précurseur de Cu ou de dopage spécifique au Na au sein de la couche d'oxyde. Les dispositifs résultants atteignent une $V_{OC}$ certifiée de 552 mV et une efficacité dépassant 16 %, établissant une nouvelle référence pour les cellules de fond de type chalcopyrite sans Ga. Ces résultats sont cruciaux pour le développement de cellules tandem monolithiques, car ils valident une architecture de contact arrière compatible avec la pulvérisation et évolutive, permettant l'utilisation de l'absorbeur idéal à 1,0 eV tout en maintenant une tension élevée et une collecte de porteurs efficace. L'étude précise également que le facteur de diode élevé limitant le facteur de forme est un problème systémique lié à la recombinaison dans la SCR, pointant ainsi vers de futurs objectifs d'optimisation.