Agathe VIRFEU : Modélisations et caractérisations des propriétés de nouveaux absorbeurs solaires II-IV-N2 (II = Mg ou Zn, IV = Ge ou Sn)

Résumé :
Pour trouver des solutions alternatives à l'utilisation massive des combustibles fossiles et pour satisfaire les besoins énergétiques croissants de la population mondiale, il est indispensable de développer et de démocratiser l’emploi de l’énergie solaire. Dans cet objectif, il convient d’élaborer de nouvelles cellules solaires combinant à la fois une efficacité élevée, un faible coût de production tout en utilisant des éléments chimiques respectueux de l’environnement. Les composés de la famille II-IV-N₂ sont de potentiels candidats puisqu’ils sont constitués d'éléments non toxiques et abondants (zinc, étain, magnésium, etc…). La croissance de ces matériaux du futur a été réalisée dans un équipement, sous ultravide, unique en Europe, nous permettant de garantir une excellente qualité chimique des matériaux. La recherche s’est focalisée sur trois composés ternaires qui sont ZnSnN₂, ZnGeN₂ et MgSnN₂ déposés par co-pulvérisation magnétron réactive. Tout d’abord, l’effet de la polarisation du substrat pendant la croissance des films de ZnSnN₂ a été étudié afin de diminuer la contamination par l’oxygène et d’améliorer les propriétés. Puis la croissance de ZnGeN₂ à différentes températures a mis en lumière des différences de compositions et de structures locales dues à l’évaporation du zinc à des températures élevées. Enfin, la croissance d’un nouveau composé MgSnN₂ a été réalisée à différentes températures de dépôt. L’étude a permis de caractériser avec de nouvelles techniques la structure et l’environnement chimique des atomes d’étain. Ses propriétés sont intermédiaires entre les différents composés à base de zinc comme notamment l’énergie de bande interdite. La seconde spécificité de ces travaux est la compréhension des phénomènes macroscopiques mis en jeu par la modélisation ab initio des propriétés électroniques et optiques. Les prédictions théoriques ont ensuite été confrontées aux résultats expérimentaux et ont montré un bon accord avec les propriétés mesurées. Ces travaux apportent des nouvelles connaissances qui viennent compléter les études précédentes et permettent de nuancer celles rapportées dans la littérature.

Composition du jury :
> Rapporteurs :
- Marie-Paule BESLAND, Directeur de Recherche, Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel, Université de Nantes,
- Valérie POTIN, Maître de Conférences, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, Université de Bourgogne Franche-Comté,
> Examinateurs :
- Angélique BOUSQUET, Maître de Conférences, Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, Université Clermont Auvergne,
- Stéphanos KONSTANTINIDIS, Professeur, Laboratoire de Chimie des Interactions Plasma-Surface, Université de Mons,
- Sébastien LEBEGUE, Directeur de Recherche, Laboratoire de Physique et Chimie Théorique, Université de Lorraine
> Direction de thèse :
- Jean-François PIERSON, Directeur de thèse, Professeur, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine
- Jean-Pierre VILCOT, Co-encadrant, Directeur de recherche, Institut d'Electronique de Micro-électronique et de nanotechnologie, Université de Lille 1