Etude des propriétés de nanoparticules semiconductrices pour les cellules solaires hybrides

Study of semiconductor nanoparticles properties for hybrid solar cells

• Auteur / Autrice : François Thierry
• Direction : François Flory, Judikaël Le Rouzo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanoélectronique
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Jörg Ackermann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Ackermann, Fabienne Michelini, Gérard Berginc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Raphaël Clerc, Johann Bouclé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion photovoltaïque

Optoélectronique

Nanostructures

Mots clés libres

Photovoltaïque

Nanostructures

Optimisation

Électronique

Optique

Confinement quantique

Photovoltaics

Nanostructures

Optimization

Electronics

Optics

Quantum confinement

Résumé

Cette thèse, réalisée dans l'équipe OPTO-PV du laboratoire IM2NP, porte sur l'étude des propriétés particulières des nanostructures de petites dimensions pour des application optoélectroniques. Pour le solaire photovoltaïque, leur utilisation permet d'augmenter l'efficacité et de réduire les coûts. Après avoir étudié les différentes technologies et phénomènes photovoltaïques, nous avons choisi les cellules hybrides organiques - nanosphères semiconductrices comme structures d'étude. Nous avons alors développé une approche numérique de détermination des propriétés intrinsèques des boîtes quantiques. Notre méthode est rapide et nécessite peu de paramètres pour une utilisation à la fois prédictive et explicative. Nous déterminons les propriétés électronique avec l'approximation de la masse effective en la modifiant pour tenir compte de la non-parabolicité des bandes électroniques. Nous utilisons ces résultats pour évaluer les propriétés optiques, particulièrement l'absorption qui joue un rôle important dans le processus photovoltaïque. Nous prenons en compte des effets de couplages diélectriques sur ces propriétés ainsi que des aspects thermodynamiques. Ces outils nous permettent d'étudier l'effet du confinement quantique des charges sur le comportement optoélectroniques de nanostructures de différents types: multipuits couplés, fils de section circulaire et boîtes sphériques. La réalisation et la caractérisation de couches minces de PMMA incorporant des nanosphères homogènes et (cœur)coquille composées de différents semiconducteurs valident notre approche et posent les bases de l'étude de couches actives hybrides pour la réalisation de cellules solaires performantes.

This thesis was conducted in the OPTO-PV team of the IM2NP laboratory. Its aim is to study the peculiar properties of low-dimensional nanostructures for use in optoelectronic applications. For photovoltaics in particular, they can be used for the realization of innovative devices with theoretical hight efficiencies at low costs. After we evaluated the various technologies and phenomena that can be used in nanostructured photovoltaics, we decided to choose an hybrid organic polymer - inorganic quantum dots solar cell as study structure. We then developed a numerical approach to determine the intrinsic properties of quantum dots. Our method is fast and requires few parameters so that we can conduct predictive and explicative studies. We start with the evaluation of the electronic properties under the effective mass approximation that we modify to take into account the non-parabolicity of the energy bands. We use the results to derive the optical properties with emphasis on absorption that plays an important role in the photovoltaic process. We take dielectric coupling effects and also thermodynamic effects into account. Those tools allow the study of the effect of quantum confinement on the optoelectronic behavior of various nanostructures: coupled quantum wells, circular cross-section quantum wires and spherical dots. The fabrication and characterization of PMMA thin-films containing homogeneous and (core)shell quantum dots of different semiconductors, validate our approach and constitute the first step towards the study of hybrid active layers for efficient solar cells.