Thèse soutenue

Comprendre et dépasser les limitations induites par l'utilisation de nanofils de silicium/silicium amorphe (a-Si ˸H) dans les cellules solaires
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Auteur / Autrice : Tiphaine Mathieu-Pennober
Direction : Maria Tchernycheva
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
Date : Soutenance le 13/07/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Jean-François Guillemoles
Examinateurs / Examinatrices : Anna Fontcuberta i Morral, Erwann Fourmond, José A. Alvarez
Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Fontcuberta i Morral, Erwann Fourmond

Résumé

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Le potentiel utilisable de l'énergie solaire représente plus du double de la consommation finale humaine en 2019. Néanmoins, seulement 0.2 % du potentiel est aujourd'hui utilisé par la technologie photovoltaïque. Le silicium cristallin (95 % du marché actuel) est très avancé, puisque les modules actuellement produits ont une efficacité autour de 20 %. Néanmoins, l'efficacité de conversion n'est pas le seul facteur pour choisir une technologie photovoltaïque. En particulier, son impact environnemental, sa résistance aux conditions extérieures ou son adéquation à l'application choisie sont également déterminants. Des technologies alternatives ont donc leur place dans le mix photovoltaïque. En particulier, le silicium amorphe constitue un matériau abondant qui ne nécessite pas une purification coûteuse en énergie. De plus, il est non toxique, aux excellentes propriétés optiques. Il présente des limitations électriques, mais l'utilisation de nanofils cœur-coquille remédie à ce problème en séparant les directions d'absorption de la lumière et de collection des porteurs de charge. La croissance peut se faire sur tout type de substrat (typiquement du verre), à faible température. Ainsi on peut obtenir des performances correctes sur de larges surfaces et à faible coût. J'ai montré que les cellules à base de nanofils cœur-coquille silicium/silicium amorphe (Si NW/a-Si:H) sont d'abord limitées par leur contact supérieur, qui doit être à la fois conducteur et transparent. J'ai développé une électrode hybride, faite d'ITO, capable de connecter les nanofils Si NW/a-Si:H, et de nanofils d'argent, qui forment un maillage conducteur. Une optimisation directement sur la cellule est nécessaire et a permis une augmentation de l'efficacité de conversion de 4.3 % à 6.6 %. L'un des inconvénients principaux des nanofils d'argent est leur dégradation dans le temps. Nous les avons encapsulés dans une couche de ZnO dopé au titane pour les protéger. J'ai suivi la dégradation des nanofils par l'observation en microscopie électronique à balayage, et par des mesures de transmittance et réflectance totales et de résistance de couche. Cette étude a montré que les nanofils d'argent, même nus, sont stables sur une échelle d'un an. Néanmoins, ils n'ont pas été exposés à d'importants niveaux de courant ou d'illumination. Or, la lumière et le courant peuvent accélérer la dégradation et seront nécessairement présents lors de l'utilisation d'Ag NWs sur des cellules solaires. La même étude sous illumination et/ou courant serait donc utile. Les cellules faites de Si NW/a-Si:H avec le contact hybride devraient être flexibles. Néanmoins, l'observation au MEB a montré des fissures dans les cellules à nanofils. Ceux-ci étant denses, ils ont un comportement qui s'approche des couches minces et perdent leur flexibilité. Nous avons aussi voulu comprendre le changement de performance sous forte illumination. La comparaison des courbes I-V pour une cellule Si NW/a-Si:H, une cellule planaire de silicium amorphe et une cellule de référence en silicium cristallin a montré plusieurs phénomènes, réversibles ou non. En particulier, cela a mis en évidence l'effet Staebler-Wronski, caractéristique de a-Si:H, et les conséquences du substrat de verre sur l'élévation de la température et la baisse drastique d'efficacité. Par ailleurs, j'ai pu utiliser la technique EBIC (courant induit par faisceau électronique) sur de nombreuses structures. J'ai observé les cellules à base de Si NW/a-Si:H en vue de haut. J'ai également caractérisé des cellules solaires à nanofils III-V sur silicium pour tandem. Enfin, j'ai aussi caractérisé des nanofils GaN/InGaN, destinés à la fabrication de diodes électro-luminescentes.