Hétérostructures de semi-conducteurs à base d'éléments abondants pour le photovoltaïque : du matériau au composant

Face aux limites économiques, énergétiques et environnementales des semi-conducteurs traditionnels, les oxydes métalliques, à base d'éléments abondants et non toxiques, constituent une alternative prometteuse et compatible avec des procédés de fabrication à grande échelle, en vue d'applications optoélectroniques durables. L'objectif de cette étude a été d'explorer le potentiel de deux familles d'oxydes, ZnMgO (type n) et Cu₂O (type p), pour la fabrication d'hétérostructures tout-oxyde, en utilisant deux techniques de dépôt en solution à faible coût : spray pyrolyse ultrasonique (USP) et le spin coating. La première étape a concerné l'optimisation des couches minces de ZnMgO, avec des compositions en Mg variant de 0 à 4 %. Les dépôts ont été réalisés par USP à partir d'acétate de zinc, avec un pH optimisé à 4 et une concentration de 0.05 M. Un recuit thermique à 300 ◦C pendant 1.5 h a permis d'améliorer significativement les propriétés structurales (cristallites, texture), optiques (élargissement du gap de 3.28 à 3.34 eV et énergie d'Urbach de l'ordre de 0.07 eV) et électriques (forte réduction de la résistivité, particulièrement à 2 % de Mg). Parallèlement, l'élaboration de couches minces de Cu₂O, a été menée par les deux techniques. Le dépôts par USP a mis en œuvre le D-sorbitol comme agent réducteur, permettant d'obtenir une phase cubique pure à une température optimale de 400 ◦C. Les films présentaient une bonne cristallinité, une conductivité de type p et un gap direct de 2.44 eV. Une deuxième approche par spin coating a été développée à partir de précurseurs éco-compatibles, suivie d'un recuit sous atmosphère d'azote à 300 ◦C, permettant de contrôler le rapport Cu₂O/CuO. Les films ainsi obtenus montraient une bonne homogénéité, un faible taux de rugosité (RMS = 5 nm), et des performances électriques compétitives (résistivité de 210 Ω · cm, mobilité de 30 cm²V⁻¹s⁻¹). Les hétérostructures ZnMgO/Cu₂O ont ensuite été fabriquées à l'aide des deux techniques, et caractérisées en détail. Les analyses structurales (XRD), vibrationnelles (Raman) et optiques (UV-Vis) ont confirmé la formation d'interfaces nettes, sans diffusion interfaciale significative, et la conservation de la cristallinité des couches après intégration. L'incorporation de 3 % de Mg dans la couche tampon a permis d'améliorer la qualité de la couche supérieure de Cu₂O, particulièrement dans le cas des depôts par spin coating. Ce travail confirme la faisabilité des hétérostructures tout-oxyde via des procédés sans vide, et constitue une avancée vers la conception de cellules photovoltaïques de nouvelle génération, alliant durabilité, faible coût et compatibilité industrielle.