Ingénierie des cratères de GD-OES : le challenge de la

Thématique : Caractérisations avancées
Ingénierie des cratères de GD-OES : le challenge de la régénérescence par
voie chimique douce et/ou abrasion sous cluster d’Ar pour l’analyse XPS.
A. Loubat1,2, S. Gaiaschi3, F. Mollica4, M. Bouttemy2, M.Frégnaux2, D. Aureau2, J. Vigneron2, F.
Donsanti4, N. Naghavi4, D. Lincot4, A. Etcheberry2
1. Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF), 8 rue de la Renaissance, 92160 Antony, France.
2. Institut Lavoisier de Versailles (ILV), UMR 8180 CNRS-UVSQ, IPVF, 78035 Versailles, France.
3. HORIBA Jobin Yvon, 16 Rue du Canal, 91160 Longjumeau, France.
4. Institut de Recherche et Développement sur l’Energie Photovoltaïque (IRDEP), UMR 7174 (EDF-CNRSChimie ParisTech PSL), IPVF, 6 quai Watier, 78400 Chatou.
L’architecture des cellules solaires de dernières générations est de plus en plus complexe et
l’optimisation de ces édifices multi-couches requiert une optimisation fine de la composition de
chaque couche mais également de chaque interface. Afin d’atteindre la détermination absolue de cette
composition chimique, nous avons fait le choix de développer une méthodologie de caractérisation
couplant GD-OES et XPS afin de tirer avantage de ces deux techniques : la rapidité d’abrasion et le
suivi des profils en intensité élémentaire de la GD-OES permettant de se situer précisément en
profondeur, et l’information chimique de surface apporté par l’XPS (composition et environnement
chimique). Ainsi, des zones spécifiques peuvent être atteintes dans le matériau par un profilage GDOES et analysé par XPS directement dans le fond du cratère GD. La dimension du cratère de GD (4
mm de diamètre) et la topographie plane de fond de cratère correspondent parfaitement à la taille de
spot XPS (400 µm) et aux exigences de morphologie. Par ailleurs, le positionnement en profondeur
devient également accessible via l’utilisation du DiP (Differential Interferometry Profiling), permettant
la calibration de la vitesse d’érosion.
Une précédente étude sur le couplage GD-OES et XPS dans le cas d’absorbeurs CIGS [1] a mis
en avant le fort potentiel de cette méthodologie. Néanmoins, la question de la préservation de
l’information chimique d’origine au fond du cratère s’est avérée être un point déterminant. En effet,
Mercier et al. ont montré que la composition étaient fortement modifiée après l’arrêt du profilage GD,
avec la présence d’une couche de redéposition composée majoritairement de gallium oxydé recouvrant
des gouttelettes de gallium métallique. En ajustant les paramètres de profilage en GD, comme la nature
du gaz et l’orientation de son flux, une limitation de ces modifications a pu être observée mais pas
totalement évitée.
Dans l’étude présentée ici, deux stratégies, l’une chimique et l’autre physique, ont été envisagées
pour rétablir la chimie de fond de cratère GD avant la caractérisation par XPS. Nous présenterons les
résultats obtenus par ingénierie chimique ex situ consistant en un trempage dans des solutions acides :
HCl et HBr/Br2. D’autre part, la capacité de récupération basée sur l’abrasion par canon cluster d’Arn+,
réalisée directement à l’intérieur de la chambre d’analyse XPS, sera évaluée. En effet, cette source
d’ions de nouvelle génération permet de modérer les effets de dégradation sous faisceau d’ions, grâce
à une énergie par atome dans l’agrégat Arn+ plus faible que pour un projectile monoatomique Ar+.
[1] D. Mercier, M. Bouttemy, J. Vigneron, P. Chapon, A. Etcheberry, “GD-OES and XPS coupling: A new way
for the chemical profiling of photovoltaic absorbers”, Appl. Surf. Sci. 347, pp. 799–807, 2015.
Remerciements: Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet I de l’IPVF (Institut Photovoltaïque
d’Ile-de-France). Il a été supporté par le gouvernement français dans le cadre du Programme
d’Investissement d’Avenir (ANR-IEED-002-01).
Mots clés : caractérisation du CIGS, couplage GD-OES et XPS, ingénierie chimique, rapport GGI