Hybrid functionals approach for the study of the properties of complex materials for photovoltaic applications

Les proprietes electriques des semiconducteurs sont fortement influencees par le type de dopants et defauts inseres ou formes lors de leur synthese. Dans le domaine du photovoltaique, ces defauts vont fortement degrader l’efficacite et la durabilite des cellules solaires. Dans ce contexte, les methodes de simulation ab-initio, Hartree-Fock (HF) ou la theorie de la fonctionnelle de la densite (DFT), sont pertinentes pour une comprehension de ces differents effets necessaire a l’optimisation des materiaux. Cependant, l’obtention d’une bonne description des proprietes requiert l’utilisation d’approches sophistiquees, comme GW, couteuses en temps de calcul. Ainsi, les approches pragmatiques basees sur les fonctionnelles hybrides, combinant HF et DFT, representent une alternative interessante. Dans un premier temps, des fonctionnelles hybrides ont ete optimisees afin d’avoir une bonne description de l’energie de bande interdite pour differents composes : Si, Ge, SiGe, les III-V et les chalcopyrites (CIGS). Les resultats obtenus avec cette approche semi-empirique ont ete confrontes a ceux de la litterature et notamment a ceux obtenus au niveau GW. La description des proprietes electroniques est similaire a celle obtenue au niveau GW. L’evolution en temperature de differentes donnees thermodynamiques a aussi ete abordee via l’approximation quasi-harmonique Pour celles-ci et les materiaux etudies, les approches hybrides n’apportent pas d’amelioration par rapport aux fonctionnelles existante mais permettent une description coherente des materiaux. Dans un second temps, ces fonctionnelles ont ete utilisees pour realiser une etude systematique de l’impact de la composition chimique sur les proprietes des CIGS pour des cellules solaires de type tandem. Tout d’abord, elles ont permis de determiner les compositions, proprietes structurales et electroniques des CuGaxIn1-x(SySe1-y)2 avec des gaps donnes pour ce type d’application. Ensuite, l’effet de l’insertion des alcalins dans les CIGS a ete aborde. L’accent a ete porte sur la substitution du Cu par le Li, Na, K, Rb et Cs. Leur impact sur le gap a ete interprete en terme d’evolution structurale et stabilite thermodynamique de differentes phases cristallines pouvant exister dans le materiau. Enfin, les defauts ponctuels de H, Fe et B dans le silicium ont ete modelises pour une etude concernant la degradation induite par la lumiere a haute temperature, un des mecanismes de vieillissement des cellules a base de silicium.