Modélisation du transport électronique quantique : effet du confinement et des collisions dans les cellules solaires

Modeling of electronic quantum transport : effects of confinement and scattering in solar cells

• Auteur / Autrice : Benoit Galvani
• Direction : Nicolas Cavassilas, Fabienne Michelini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 11/10/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Claudine Katan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Lannoo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : James P. Connolly, Didier Mayou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Transport quantique

Électronique quantique

Effet photovoltaïque

Mots clés libres

Photovoltaïque

Transport électronique

Nanosciences

Photovoltaic

Quantum Transport

Nanoscience

Résumé

La limite de Shockley-Queisser représente le compromis entre la non-exploitation des photons d’énergie insuffisante et les pertes par thermalisation des porteurs photo-générés à hautes énergies. Il existe des dispositifs photovoltaïques permettant de dépasser cette limite, basés sur les propriétés quantiques des porteurs et de leur transport. La compréhension des phénomènes physiques quantiques est essentiel pour l’élaboration de nouvelles solutions. L’objectif de cette thèse consiste à réaliser une étude numérique des effets liés au confinement et aux collisions dans des cellules solaires. Dans une première partie consacrée au modèle théorique implémenté, nous détaillons le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre et son utilisation dans le cadre de notre étude. Nous proposons un modèle numérique permettant de prendre en compte les interactions electron-phonon et électron-photon au moyen de self-energies. Les deux parties suivantes présentent l'application du formalisme dans le cas de deux dispositifs. Le premier système est une cellule à base de puits quantiques. Le calcul de la densité d’états locale a permis de mettre en évidence le phénomène de minibandes survenant dans les systèmes périodiques quantiques. Le second système est une cellule à base de matériaux pérovskites hybrides. Déjà utilisé pour la conception de cellules tandem, il subsiste toutefois des incertitudes concernant les mécanismes de transport des porteurs dans de tels matériaux hybrides. Notre travail a permis d’apporter des éléments de compréhension sur les effets de l’interaction électron-phonon dans ce matériau, notamment sur les caractéristiques optiques et électriques du dispositif

The Shockley-Queisser limit represents the compromise between the non-exploitation of low energy photons andthe thermalization losses of high-energy photo-generated carriers. There are devices that can overcome this limit, based on the quantum properties and transport of carriers. The understanding of the physical phenomena occurring at these nanoscales is a key component to the development of new solutions. The goal of this thesis is to conduct a numerical study of the effects of confinement and scattering in solar cells. In a first part dedicated to the theoretical model, we detail the non-equilibrium Green’s functions formalism and its use in the context of our study. We give details on the numerical model of electron-phonon and electron-photon scatterings with interaction self-energies. The two following parts show examples of application of the Green’s function formalism in the case of two devices. The first system is a multi quantum wells solar cell. Calculations of the local density of states permit to highlight the phenomenon of minibands occurring in such quantum periodic systems. The second system is a solar cell based on perovskite hydrid materials. Already used for the design of tandem cells, there is still uncertainties concerning carrier transport mechanisms in such organic-inorganic materials. Our work has provided information about the effects of electron-phonon scattering in such materials, in particular on the opti-cal and electrical characteristics of the device