Les cellules solaires convertissent la lumière du soleil en énergie propre, mais si les cellules solaires elles-mêmes sont fabriquées à partir de matériaux toxiques, cela va presque à l’encontre du but recherché. C’est là que le sulfure d’étain (SnS) entre en jeu. Le SnS est un matériau semi-conducteur respectueux de l’environnement, naturellement abondant et relativement peu coûteux, qui constitue un candidat prometteur pour les cellules solaires et les dispositifs de conversion thermoélectrique.
Afin d’améliorer ses performances dans ces applications, des chercheurs de l’université de Tohoku ont systématiquement étudié comment les écarts dans le rapport 1:1 entre Sn et S influencent les propriétés électriques et la morphologie des films minces de SnS. Jusqu’à présent, l’obtention d’un contrôle précis de la composition de ce rapport pendant le dépôt de couches minces a constitué un défi majeur en raison de la grande volatilité du soufre.
L’équipe de recherche, dirigée par Issei Suzuki (professeur assistant principal) et Taichi Nogami (candidat au doctorat), a mis au point une nouvelle méthode de pulvérisation assistée par plasma de soufre pour contrôler avec précision la teneur en soufre des films minces de SnS. Dans la pulvérisation conventionnelle, une cible frittée de SnS est atomisée et déposée sur un substrat.
Dans cette étude, les chercheurs ont introduit du soufre activé par plasma dans ce processus, ce qui permet un contrôle précis de la composition du SnS. En utilisant cette approche, ils ont fabriqué des couches minces de SnS de type p avec des rapports Sn:S de 1:0,81, 1:0,96, 1:1 et 1:1,04 et ont analysé leurs propriétés structurelles et électriques.
« Nous avons constaté que même une légère modification de la composition de Sn et de S affectait de manière significative la morphologie », explique Suzuki. Plus précisément, l’étude a révélé que les compositions riches en soufre (S > 50 %) entraînaient une augmentation considérable de la densité des porteurs, tandis que les compositions pauvres en soufre (S < 50 %) ne présentaient pratiquement aucune modification de la densité des porteurs. En outre, les films non stœchiométriques présentent des morphologies rugueuses et poreuses, tandis que les films minces de SnS stœchiométriques (1:1) présentent une structure dense avec une mobilité élevée des trous, ce qui les rend tout à fait appropriés pour les applications de cellules solaires.
Cette recherche souligne l’importance cruciale d’un contrôle précis de la teneur en soufre dans les films minces de SnS et offre des indications précieuses pour l’amélioration de leurs performances électriques et de leur intégrité structurelle. Elle s’appuie sur les résultats obtenus précédemment par Suzuki et Nogami et al. qui ont examiné un autre type de film mince de SnS. Ces résultats devraient contribuer à l’application pratique des SnS dans les dispositifs de conversion énergétique de la prochaine génération.
« La prochaine étape consistera à intégrer ces couches minces de SnS optimisées dans des cellules solaires à haut rendement », explique Nogami. « Nous voulons affiner leurs performances et leur évolutivité afin qu’elles puissent potentiellement être utilisées pour produire de l’énergie propre et contribuer à la lutte contre le changement climatique. »
Article : « Non-stoichiometry in SnS: How it affects thin-film morphology and electrical properties » – Auteurs : Taichi Nogami, Issei Suzuki, Daiki Motai, Hiroshi Tanimura, Tetsu Ichitsubo, Takahisa Omata – Journal: APL Materials – DOI: 10.1063/5.0248310
