Matériaux pour la gestion de la lumière fabriqués par voie liquide

Light management structures fabricated by wet deposition techniques

• Auteur / Autrice : Barbara Brudieu
• Direction : Thierry Gacoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Sol-gel, Procédé

Optique

Mots clés libres

Gestion de la lumière

Nanoimpression

Miroir de Bragg

Résumé

La gestion de la lumière est un élément clé dans le développement de nouveaux matériaux pour l’optique et l’optoélectronique. Dans le domaine énergétique, intégrer des systèmes permettant d’augmenter l’absorption de lumière (photovoltaïque) ou son extraction (technologie LED) conduit à des produits plus efficaces et à moindre coût. Les cellules solaires en couches minces permettent de diminuer la quantité de matériaux actifs utilisés, mais l’absorption de la lumière se trouve limitée par un trajet optique plus court dans le matériau. Une stratégie possible consiste à intégrer des cristaux photoniques pour allonger le trajet des photons de longueurs d���onde spécifiques dans la couche absorbante en les couplant à des modes guidés de celle-ci. De nombreuses recherches sont menées pour fabriquer de tels systèmes tout en limitant les coûts de fabrication et dans ce contexte, la synthèse par voie liquide apparaît comme une alternative intéressante aux méthodes de dépôt sous vide. Au cours de ce travail, nous avons développé une méthode simple par voie sol-gel pour fabriquer des miroirs de Bragg efficaces et robustes (DBR) revêtus des cristaux photoniques obtenus par nanoimpression thermique de couches de silice. Les DBRs présentent une réflexion sélective élevée pour un faible nombre de couches grâce à l’utilisation de matériaux ayant un contraste d’indice particulièrement important : le TiO2 dense (n= 2,10 à λ=600nm) et la silice macroporeuse (n= 1,24) dont la porosité (50%) est obtenue avec la dégradation d’un latex porogène lors d’une unique étape de recuit. Grâce à la flexibilité du procédé, des miroirs réfléchissant dans les Ultra-violets, le visible ou le proche Infra-Rouge peuvent être obtenus. A l’aide de la méthode de simulation RCWA, nous avons optimisé les paramètres optiques et géométriques de la structure pour maximiser l’absorption dans un système photoactif modèle à base de silicium amorphe. Après intégration dans ce système de la structure de piégeage optique optimale, nous avons montré qu’elle permet d’augmenter l’absorption de près de 70% dans 100nm de silicium sur la gamme de longueur d’onde 350 à 800nm. En comparant cette structure à d’autres avec des paramètres géométriques ayant été modulés, nous confirmons l’importance du travail d’optimisation préliminaire par la simulation. Nous avons ensuite appliqué nos résultats dans le cas d’une cellule solaire en couche mince. Nous avons ainsi montré que l’utilisation de nos structures de piégeage optique conduit à une augmentation de rendement quantique externe de l’ordre de 5% pour la structure étudiée. Ces résultats mettent en évidence les grandes possibilités de la technologie sol-gel au service des dispositifs optiquement actifs.

Light management is a current hot issue for the development of new materials for optics and optoelectronics. In the energy field, more efficient systems at lower costs can be obtained by integrating these structures either to trap the light (photovoltaic) or to extract it (LED technology). Thin film solar cells allow decreasing the amount of photoactive materials but this induces a loss in the absorption due to a shortened path of light. A approach consists in the integration of new structures like photonic crystals to extend the path of light at specific wavelengths in the absorbing medium and thus lead to more coupled guided modes. Researchers focus on methods to elaborate such systems while reducing costs and liquid deposition techniques seem to be an interesting way around vacuum processes. We have developed a simple sol-gel method to fabricated optically clear Distributed Bragg Reflectors (DBR) with silica 1D-photonic crystal upon it made by soft thermal nanoimprint technology. DBRs show a high selective and specular reflection with a low number of layers thanks to the use of materials with a high refractive index contrast: dense titania layers (n=2. 10 at λ=600nm) and 50%-macroporous silica layers (n=1,24) which porosity is obtained with a porogen PMMA latex degraded during a single calcination step. These DBRs are easily wavelength tunable by changing the thickness of the layers and they show stable optical properties in harsh environment or after immersion in solvents. Using the RCWA simulation method, we have optimized optical and geometrical parameters of the structure in order to maximize the absorption in a simple photoactive system made of a thin film amorphous silicon layer on glass. We have demonstrated the fabrication of the optimal system with a DBR, a 1D-photonic crystal upon it and a conformal deposited silicon layer. We show that the light trapping structure increases the absorption in a 100nm-thick absorbing layer by almost 70% between 350nm and 800nm. The comparison of the optimized system with other geometries shows the importance of the simulation approach. We went further by integrating a DBR in a real amorphous silicon solar cell. We observed a 5%-increase of the external quantum efficiency thanks to the reflector. This work put forward the sol-gel technology approach applied to photoactive systems.