Nouvelles structures de cellules solaires à base de silicium : texturation, passivation et association de réseaux de nanostructures métalliques avec une couche Down-Conversion

New structures of silicon solar cells : texturation, passivation and association between metallic nanostructures arrays with down-conversion layer

• Auteur / Autrice : Omar Ibrahim Elmi
• Direction : Odile Cristini-Robbe, Didier Stiévenard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 30/03/2017
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM) - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Nitrure de silicium

Métaux des terres rares

Nanoparticules

Résonance plasmonique de surface

Lumière -- Absorption

Langmuir-Blodgett, Couches de

Ions -- Implantation

Photopiles

Mots clés libres

Passivation

Résumé

La viabilité de la filière silicium pour la conversion photovoltaïque n’est plus à démontrée, notamment au regard du nombre croissant d’industries de cellules solaires qui s’implantent dans les pays développés. Le développement de nouvelles structures ou dispositifs optiques afin d’améliorer le piégeage de la lumière au sein des cellules solaires est un véritable défi. Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle génération de capteurs solaires performants en s’appuyant sur l’association d’une nanostructuration de la surface, d’un réseau de nano-objets métalliques et de terres rares au sein d’une matrice vitreuse. Dans un premier temps, nous avons optimisé deux formes de textures à la surface du silicium qui ont augmenté l’absorption de 15 % pour les formes à nanopiliers et de 28 % pour les nanocônes. La gravure du silicium engendre l’apparition de défauts sur la surface. Nous avons travaillé sur trois approches de passivation pour limiter les phénomènes de recombinaison avec les matériaux Al2O3 et SiNx. La deuxième étape de ces travaux a porté sur l’étude des plasmoniques d’un réseau de nano-objets d’argent fabriqués à travers des microsphères de silice auto-assemblées déposées par la technique Langmuir-Blodgett. Leur intégration dans la matrice vitreuse a augmenté significativement le rendement de nos cellules solaires. Dans la dernière partie, nous avons étudié l’association de ces nano-objets métalliques avec une couche down-conversion constituée d’une matrice SiNx avec les terres rares Tb3+ et Yb3+.Cette association a montré une augmentation de l’intensité de photoluminescence d’un facteur 2,3. L’application de la couche DC seule sur nos cellules a augmenté l’efficacité d’un facteur 1,68.

The viability of the silicon sector for the photovoltaic conversion is not any more in demonstrated, in particular with regard to the increasing number of industries of solar cells which become established in the developed countries. To obtain a large absorption of the light, the development of new structures or optical devices to improve the light trapping within solar cells is a real challenge. The works of this thesis concern a new generation of solar cells on the association of a network of metallic nano-objects and rare earth within a SiNx matrix. At first, we optimized two forms of textures on the surface of the silicon which increased the absorption in 15 % for the forms with nanopillars and 28 % for nanocones. The etching process of the silicon engenders the appearance of defects on the surface. We worked on three approaches of the surface passivation using thin layers of Al2O3 and SiNx materials to limit the phenomena of recombination. The second step of these works concerned the study of the plasmonics of a silver nanoparticles arrays fabricated through auto-assembled silica microspheres deposited by the Langmuir-Blodgett technique. The incorporation of silver nanoparticles in the matrix increased significantly our solar cells efficiency. In the last part, we studied the association of these metallic nano-objects with a layer down-conversion established of a matrix SiNx with rare earth Tb3+ and Yb3+. This association showed an increase of the intensity of photoluminescence of a factor 2,3. The application of the DC layer alone on our cells increased the efficiency of a factor 1,68.