Conception et réalisation de nanostructures pour le piégeage optique dans des cellules photovoltaïques ultra-minces

Design and fabrication of nanostructures for light-trapping in ultra-thin solar cells

• Auteur / Autrice : Inès Massiot
• Direction : Jean-Luc Pelouard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/10/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016) - Laboratoire de photonique et de nanostructures
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Kleider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Pelouard, Jean-Paul Kleider, Christian Seassal, Abdelilah Slaoui, Stéphane Collin, Christophe Ballif
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Seassal, Abdelilah Slaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Photonique

Systèmes photovoltaïques

Mots clés libres

Photovoltaïque

Piégeage optique

Photonique

Plasmonique

Photovoltaics

Light trapping

Photonics

Plasmonics

Résumé

Diminuer l'épaisseur de la couche d'absorbeur est une solution attractive pour produire des cellules photovoltaïques à coût réduit. Cela permet également de réduire la quantité de matériau actif utilisé ainsi que d'améliorer la collection du courant dans la cellule. Cette thèse s'est focalisée sur la conception de nanostructures pour exalter l'absorption de la lumière dans des couches de semiconducteur d'épaisseur réduite et ainsi proposer des cellules ultraminces efficaces.Dans un premier temps, nous avons proposé une approche originale pour piéger la lumière dans une cellule ultra-fine (≤ 100 nm) en silicium amorphe. Un réseau métallique est placé en face avant de la cellule déposée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption multi-résonante large bande pour les deux polarisations de la lumière. Nous proposons aussi d'utiliser le réseau métallique comme une électrode transparente alternative afin de réduire les pertes optiques dans le contact avant de la cellule. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs.Dans un deuxième temps, nous avons appliqué ce concept de contact avant multi-résonant à des couches ultra-fines en arsenure de gallium (GaAs). Nous avons montré numériquement et expérimentalement le potentiel d'une nanogrille métallique bi-dimensionnelle pour le confinement efficace de la lumière dans 25 nm de GaAs.Enfin, nous avons étudié la possibilité de réduire l'épaisseur de cellules en silicium cristallin d'un facteur 10 à 100 par rapport à l'état de l'art. Nous avons développé un procédé pour transférer des couches de silicium cristallin de quelques microns d'épaisseur épitaxiées par PECVD sur un substrat hôte bas coût. Nous avons également travaillé à la structuration contrôlée de nanopyramides en vue d'un piégeage optique efficace dans ces couches minces.

Reducing the absorber thickness is an attractive solution to decrease the production cost of solar cells. Furthermore, it allows to reduce the amount of material needed and improve the current collection in the cell. This thesis has been focused on the design of nanostructures to enhance light absorption in very small semiconductor volumes in order to achieve efficient ultra-thin solar cells. First, we have proposed an original light-trapping concept for ultra-thin amorphous silicon (a-Si:H) solar cells. A one-dimensional metallic grating is patterned on the front surface of the cell deposited on a metallic mirror. Broadband multi-resonant absorption has been demonstrated for both light polarizations. The metallic grating is also used as an alternative transparent electrode in order to reduce optical losses in the front contact. A detailed analysis of the multi-resonant absorption mechanism has been carried out through numerical calculations. The fabrication and optical characterization of ultra-thin a-Si:H solar cells with metallic gratings have validated the multi-resonant approach.Second, we have proposed a design with a two-dimensional metallic grid as a resonant front contact for very thin (25 nm) gallium arsenide (GaAs) layers. We have shown through the design and fabrication of a proof-of-concept structure the potential of metallic nanogrids to confine efficiently light absorption with an ultra-thin GaAs layer.Finally, advanced light-trapping structures could also allow a thickness reduction of crystalline silicon wafers of a factor 20 to 100 with respect to state-of-the-art cells. We have developed a process to transfer micron-thick epitaxial crystalline silicon (c-Si) layers onto a low-cost host substrate. Inverted nanopyramids have also been fabricated in crystalline silicon in order to achieve a broadband anti-reflection effect. It opens promising perspectives towards the realization of double-sided nanopatterned ultra-thin c-Si cells.