Design and fabrication of photonic crystals and diffraction gratings for ultra thin film Si solar cells

Conception et réalisation de cristaux photoniques et de réseaux de diffraction pour les cellules photovoltaïques silicium en couches ultra-minces

• Auteur / Autrice : Xianqin Meng
• Direction : Christian Seassal, Alain Fave
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophotonique
• Date : Soutenance le 15/10/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ounsi El Daïf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Escoubas, Yves Jourlin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffraction

Cristaux photoniques

Systèmes photovoltaïques

Mots clés libres

Photovoltaïque

Piégeage de la lumière

Cristaux photoniques

Réseaux de diffraction

Photovoltaic

Light trapping

Photonic crystals

Diffraction grating

Résumé

Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques(CP) et des réseaux de diffraction. L’objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d’augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2Ddans la couche active de silicium, l’absorption intégrée sur l’ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l’influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l’IMEC, en Belgique. Les mesures d’absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l’absorption intégrée est peu sensible à l’angle d’incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d’environ 15mA/cm², soit20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L’absorption aux grandes longueurs d’onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu’à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

Gratings are considered. The goal is to integrate such structures into ultra-thin film silicon photovoltaic solar cells, with a view to improve their conversion efficiency. First, a PCs assisted ultra-thin film crystalline silicon (c-Si) solar cell is designed optimized by using the Finite Different Time Domain (FDTD) approach. An increase over50% is achieved for the absorption, as integrated over the whole spectral range, by patterning a 2D PCs in the active Si layer. This enhancement is achieved by combining Slow Bloch modes and Fabry-Perot modes. In order to fabricate such solar cells, we developed a process based on Laser Holographic Lithography, Reactive Ion Etching and Inductivity Coupled Plasma etching. We have investigated the influence of the parameters taking part in these processes on the obtained patterns. Finally the optical and electrical properties of the devices have been characterized by our co-workers at IMEC, Belgium. Absorption measurements are in good agreement with the theoretical simulations. Moreover, the integrated absorption is tolerant with regard to the sunlight angle of incidence. The final fabricated 2D PCs patterned solar cell exhibits a 20% higher short circuit current (Jsc = 15mA/cm2) than the reference. Additionally, a more complex thin film c-Si solar cells integrating front and back diffraction gratings has been designed. Long wavelength absorption is increased thanks to the long period (750 nm) back grating, while the incident light reflection is reduced by using a short period (250 nm) front grating. A short-circuit current increase up to 30 mA/cm² is predicted for this device, far above the 18 mA/cm² value for the unpatterned reference These are first steps towards the development of a future generation of PC and diffraction grating assisted solar cells.