Les cellules solaires à couche mince à base de Cu(In,Ga)Se₂ (ou CIGS) est l'un des candidats favoris pour la nouvelle génération de dispositifs photovoltaïque. Le CIGS possède une absorption élevée et une bande interdite directe en plus d'être stable sous un éclairage à long terme. Une efficacité supérieure à 20% à été atteinte par plusieurs groupes de recherche sur des cellules typiques de CIGS polycristallin. Même si encourageante, cette efficacité est encore en dessous de la limite théorique de Shockley-Queisser. Cela peut être en partie attribuée aux inhomogénéités de la cellules provenant de sa nature polycristallin qui brouille la relation entre les performances globales et les propriétés des matériaux. Pour quantifier l'impact de la morphologie sur l'efficacité de la cellule, l'étude des variations spatiales de ses différentes propriétés est primordiale.

Dans cet esprit, des chercheurs de l'IRDEP (Institut de Recherche et de Développement sur l'Énergie Photovoltaïque) ont étudié une microcellule de CIGS (diamètre de 35 μm) par imagerie de photoluminescence (PL) et d'électroluminescence (EL) résolue spatialement et spectralement [1]. Pour mener à bien ces expériences ils ont utilisé un imageur hyperspectral (IMA™) avec une résolution spectrale de 2 nm et une résolution spatiale inférieure à 2 μm. Un puissance mètre a été employée pour les mesures EL avec Vapp = 0.95 V. Un laser 532 nm (laser Genesis, Coherent) a été utilisé pour les mesures de PL (excitation de 580 soleils). La totalité du champ de vue sous l'objectif du microscope était excité et le signal provenant d'un million de point est recueilli simultanément (voir la section modalité d'imagerie globale ci-dessous pour plus de détails).

FIG. 1 (a) et (b) présente des images de PL et EL de la microcellule de CIGS. En alliant leur méthode breveté de calibration absolue (voir section plus bas) à la loi de Planck la généralisée, les chercheurs de l'IRDEP ont été en mesure d'extraire la séparation quasi-niveau de Fermi (Δμ_eff) (voir la Fig. 1 (c) et (d)), séparation qui est directement liée à la tension maximale de la cellule. Avec l'aide de la relation de réciprocité entre les cellules solaires et les LEDs, l’efficacité quantique externe (EQE) peut être déduite à partir des images EL.

Ces résultats montrent que les propriétés fondamentales des microcellules telles la séparation du quasi-niveau de fermi et, potentiellement, l’efficacité quantique externe sont accessibles à l'échelle du micromètre sur toute la surface de l'échantillon.

[1] Delamarre A. et al., Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se₂ thin-film solar cells, Progress in Photovoltaics, 10, 1002, (2014).

Tel qu’indiqué précédemment, cette plate-forme hyperspectrale permet l'acquisition du signal provenant de la totalité du champ de vue sous l’objectif de microscope, longueur d'onde après longueur d'onde. En utilisant un capteur mégapixels, l'acquisition d'images filtrées fourni des informations spectrales provenant de millions de points à la surface de l'échantillon. De par sa conception, cette modalité nécessite un éclairage uniforme sur l'ensemble du champ de vision. Lorsque comparé à un système confocale typique en photoluminescence où l'excitation se fait en un seul point (~1 μm²), laissant ainsi la région environnante au repos, l'illumination globale évite la recombinaison des porteurs en raison de éclairage localisé. En effet, l’isopotentiel créé dans la modalité d’illumination globale empêche la diffusion de charges. En configuration confocale, la diffusion latérale des porteurs vers les régions plus sombres d'un échantillon a pour effet de réduire le signal de PL donc, la puissance d'excitation doit être considérablement accrue afin d'observer le signal. Cette densité de puissance élevée est très loin de ce qu’un matériau photovoltaïque expérimentera dans des conditions réelles. En fait, la densité de puissance utilisée en microscopie confocale atteint habituellement 10⁴ soleils, densité très loin des conditions de fonctionnement d'un dispositif photovoltaïque, ce qui complique grandement l'interprétation des résultats. L’éclairage homogène utilisé pour la modalité d'imagerie globale permet de réaliser des expériences de PL dans la plage de 1 à 500 soleils qui est dans la gamme de mode de fonctionnement réaliste des cellules photovoltaïque à concentration.