Le développement et l’optimisation des dispositifs photovoltaïques est devenu aujourd’hui un sujet de recherche intense. Plus de 13,000 publications sont disponibles dans la base de données Web of Knowledge avec le sujet ‘photovoltaics’, en considérant seulement des publications entre 2020 et 2023. Par ailleurs, la valeur du marché de l’industrie photovoltaïque était de plus de 150 G$ en 2020, ce qui contribue à la création d’emplois. Parmi les diverses technologies disponibles actuellement, l’une des plus prometteuses est celle des cellules solaires tandem silicium / perovskite à deux terminaux. En une période de moins de 10 ans (2015-2023), des rendements dépassant 30 % (1 cm²), au-delà de la limite pratique des nombreuses technologies à simple jonction ont été démontrés par plusieurs laboratoires dans le monde.

Cependant, la fabrication de tels dispositifs, comprenant plusieurs couches d’épaisseurs variables, de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres, est complexe et nécessite l’utilisation de plusieurs techniques de dépôt. De plus, les contraintes de coût imposent des dépôts sur des surfaces avec une texturation micrométrique. Pour la technologie à deux terminaux, l’interconnexion électrique est faite à travers la jonction de recombinaison, qui remplit plusieurs fonctions : outre obéir aux contraintes de dépôt déjà mentionnées, cette couche doit coupler optiquement et électriquement les deux sous-cellules, donc recombiner de manière efficace les porteurs majoritaires qui restent dans la partie centrale du dispositif après la séparation / extraction qui a lieu dans chaque sous-cellule. C’est sur ce sujet que cette thèse se concentre.

Ce travail de thèse se déroule en quatre étapes principales : premièrement, l’optimisation d’une jonction de recombinaison de type tunnel, avec une polarité p-i-n en considérant les interactions optiques, électriques et chimiques avec des couches de la top cell, choisies en accord avec l’état de l’art et déposées successivement en collaboration avec des instituts de recherche partenaires. Les empilements proposés sont compatibles avec la production industrielle. Deuxièmement, la caractérisation électrique de telles couches d’interconnexion, avec une attention spéciale aux mécanismes de transport qui peuvent limiter la conduction des porteurs à travers les couches et/ou interfaces. Le choix et développement de vecteurs de tests adaptées à une telle fin sont aussi abordées. Troisièmement, la caractérisation optique, électrique et chimique des couches choisies, en utilisant des vecteurs de test les plus proches possible des dispositifs fonctionnels, avec le but de déterminer les couches potentiellement limitantes dans l’empilement, tant en raison de leur impact sur la bottom cell, que de leur influence sur le dépôt de la top cell. Quatrièmement, l’intégration des matériaux et configurations d’interconnexion les plus prometteuses en dispositifs tandem, l’évaluation des performances et leur relation avec les résultats des caractérisations mentionnées précédemment. Des perspectives d’amélioration des procédés de fabrication des dispositifs de test ainsi que les limitations actuellement observées seront finalement présentées et discutées, en proposant des pistes pour la poursuite de ces travaux de recherche.