Nanostructure métallique en forme de W pour le Nano-optique et Simulation numérique des cellules solaires tandem sur silicium

Metallic Nanostructure W-shaped for Nano-optic and Numerical Simulation of Tandem Solar Cells on Silicon

• Auteur / Autrice : Shijian Wang
• Direction : Rémi Vincent, Alain Rolland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 13/06/2019
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : CSC (China Scholarship Council)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Michel Adam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Rolland, Pierre-Michel Adam, James Connolly, Alain Morand, Yun Sun
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : James Connolly, Alain Morand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Jonctions

Cellules solaires organiques

Résonance plasmonique de surface

Simulation par ordinateur

Or

Silicium

Nanostructures

Mots clés libres

Nanostructures

Silicium

Or

Simulation par ordinateur

Résonance plasmonique de surface

Cellules solaires organiques

Semiconducteurs -- Jonctions

Nanostructures

Silicon

Gold

Computer simulation

Surface plasmon resonance

Tandem solar cell

Tunnel junctions

Résumé

Ce travail porte sur deux sujets. La première partie traite d'une structure plasmonique originale basée sur une nouvelle approche de la nanostructuration. La géométrie est décrite comme une couche d'or «pliée» en forme de «W». Nous l’appelons Origami à cause des mots japonais: ‘ori’, plier; «Gami», papier. Les structures sont fabriquées pour une couche d'or de 50 nm d'épaisseur avec une périodicité de 400 à 1000 nm à partir de matrice de silicium. La complexité et l’originalité de la réponse proviennent de la présence d’ondulations régulières avec des facteurs d’exaltation de champ locaux élevés qui peuvent être couplées à un mode de chaîne plasmonique. Les résultats de mesure optique et de simulation sont en bon accord. La deuxième partie traite de la simulation numérique de cellules solaires tandem III-V / Si constituées d’une couche active de GaAsPN. Ce type de cellule solaire possède un rendement théorique élevé et un faible coût. Le travail principal est axé sur l’étude de la couch supérieure de la cellule solaire en raison de la parfaite maîtrise de la fabrication de la couche inférieure des cellules solaires au Si. Les résultats de simulation garantissent la meilleure épaisseur de couche active et indiquent que les couches graduées peuvent réduire l'effet de décalage de bande existant entre les couches GaAsPN et N-GaP. Nous avons constaté que GaP (n ++) / Si (p ++) est la meilleure jonction tunnelle dans cette configuration.

This work focuses on two subjects. The first part deals with an original plasmonic structure based on a new approach of nanostructuration. The geometry is described as a gold layer <<folded>> into a “W” shape. We named it as Origami because of the Japanese words: ‘ori’, fold; ‘gami’, paper. structures are fabricated for a 50-nm thickness gold layer with a periodicity of 400 to 1000 nm based on Silicium matrix. The complexity and originality of the response comes from the presence of regular ripples with high local field enhancement factors that may couple into a plasmonic chain mode. Meanwhile optical measurement and simulation results are in good agreement. The second part deals with Numerical simulation of III-V/Si tandem solar cells consisting of an active layer of GaAsPN. This type of solar cell owns high theoretical efficiency and low cost. The main work focuses on top cell study due to the mature bottom Si solar cell fabrication. Simulation results assure of the best active layer thickness, and indicate that graded layers can decrease the band offset effect existing between GaAsPN and N-GaP layers, meanwhile we have found that the GaP(n++)/Si(p++) is the relative better tunnel junction in this configuration.