Cristaux photoniques pour le contrôle de l'absorption dans les cellules solaires photovoltaïques silicium ultraminces

• Auteur / Autrice : Guillaume Gomard
• Direction : Christian Seassal, Emmanuel Drouard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 08/10/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Lérondel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Joly, Pere Roca i Cabarrocas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucio Claudio Andreani, Jean-Jacques Greffet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Cristaux photoniques

Systèmes photovoltaïques

Mots clés libres

Cellules solaires photovoltaïques

Cristaux photoniques

Nano-photonique

Piégeage de la lumière

Photovoltaic solar cells

Photonic crystals

Nano-photonic

Light trapping

Résumé

La technologie photovoltaïque se caractérise par sa capacité à réduire constamment le coût de l’électricité délivrée, notamment grâce aux innovations technologiques. Un pas important a été franchi dans ce sens grâce à la mise en place d’une filière utilisant des couches minces, réduisant significativement la quantité de matériau actif nécessaire. Aujourd’hui, ces efforts se poursuivent et des couches semi-conductrices ultraminces voient le jour. Du fait de leur faible épaisseur, ces couches souffrent d’une faible absorption de la lumière, ce qui limite le rendement de conversion des cellules. Pour répondre à ce problème, les concepts issus de la nano-photonique peuvent être employés afin de contrôler la lumière à l’échelle des longueurs d’onde mises en jeu. Dans ce contexte, nous proposons de structurer la couche active des cellules solaires en cristal photonique (CP) absorbant. Cette nano-structure périodique assure simultanément une collection efficace de la lumière aux faibles longueurs d’onde et un piégeage des photons dans la couche active (ici en silicium amorphe hydrogéné) pour les longueurs d’onde situées près de la bande interdite du matériau absorbant. Dans le cadre de cette étude, des simulations optiques ont été utilisées de manière à optimiser les paramètres du CP, engendrant ainsi une augmentation de l’absorption de plus de 27% dans la couche active sur l’ensemble du spectre utile, et à établir des règles de design en vue de la fabrication des cellules structurées. Les principes physiques régissant leurs propriétés optiques ont été identifiés à partir d’une description analytique du système. Des mesures optiques réalisées sur les échantillons structurés, ont conforté les résultats de simulation et mis en évidence la robustesse de l’absorption de la cellule à l’égard de l’angle d’incidence de la lumière et des imperfections technologiques. Des simulations opto-électriques complémentaires ont démontré qu’une augmentation du rendement de conversion est réalisable, à condition d’introduire une étape de passivation de surface appropriée dans le procédé de fabrication de ces cellules.

The photovoltaic technology is pursuing its constant effort for lowering the price of the electricity delivered, notably thanks to the technological innovations. The use of thin-films based solar cells was an important step towards that direction since it enabled to decrease the amount of active material needed. Recently, ultrathin semi-conductor layers have emerged. Due to their limited thickness, those layers are suffering from a weak absorption of the incoming light which degrades the conversion yield of the resulting cells. To tackle this issue, nano-photonic concepts may offer well-suited solutions to handle the light at the wavelength scale. In this context, we propose to pattern the active layer of solar cells as an absorbing photonic crystal (PC). This periodical nano-structure ensures simultaneously an efficient collection of the light at low wavelengths, together with an appropriate method for trapping photons inside the active layer for the wavelengths close to the material bandgap, which in our case consists in hydrogenated amorphous silicon. In the framework of this study, optical simulations were used to optimize the PC parameters so as to provide a significant (+27% in the sole active layer) absorption increase over the whole spectrum considered and guidelines for the fabrication of the patterned cells. The physics principles ruling their optical properties were identified out of an analytical description of the system. Optical measurements carried on the patterned samples confirmed the simulation results and highlighted the robustness of the overall absorption with regards to the angle of incidence of the light and technological imperfections. In addition, opto-electrical simulations revealed that an increase of the conversion yield can be expected, provided that an appropriated surface passivation step is introduced in the fabrication process.