Understand and overcome the limitations of silicon/amorphous silicon (a-Si ˸H) nanowire solar cells
Comprendre et dépasser les limitations induites par l'utilisation de nanofils de silicium/silicium amorphe (a-Si ˸H) dans les cellules solaires
Résumé
The exploitable solar potential corresponds to more than twice the final human consumption of energy in 2019. Yet, only 0.2 % of thus potential is used today for photovoltaic conversion. Crystalline silicon, which holds 95 % of the market, is an advanced technology, with currently made modules showing a power conversion efficiency around 20 %. However, the power conversion efficiency is not the only parameter to consider when choosing a photovoltaic technology. Its environmental impact, the dependence of its power conversion efficiency on the illumination and temperature conditions, and the match between the PV technology characteristics and the application are also key factors. Consequently, there is room for other technologies than c-Si, including less efficient ones. In particular, amorphous silicon is an abundant material with no need for an energy-costly purification process. Besides, it is non-toxic and displays excellent optical properties. The main drawback is its poor material quality, limiting the transport distance if the minority charge carriers. This issue can be solved in core-shell nanowires, where the direction for the absorption of the light and for the collection of charge carriers are separated. Moreover, these cells can be grown on various substrates (usually glass) at low temperatures. Low-cost, large-area working solar cells can hence be obtained. I showed that the solar cells made of silicon/amorphous silicon (a-Si:H) core-shell nanowires are first limited by the top contact. It has to be both transparent and conductive. I developed a hybrid electrode, made of ITO (able to connect every single Si nanowire) and silver nanowires (able to make a conductive network on top of the Si NW/a-Si:H). We optimized the electrode properties directly on the device and increased the power conversion efficiency from 4.3 % to 6.6 %. One of the main shortcomings of the silver nanowires is their degradation with time. I encapsulated them in a titanium-doped ZnO layer to protect them. I monitored their degradation with scanning electron microscopy, measurements of total transmittance and reflectance, and measurements of the sheet resistance. This study showed that bare silver nanowires are not degraded over a year. Yet, they had not been exposed to light or current stress. Light and current would nonetheless be present in the use of the solar cell. The same study under illumination or with current would be needed. The cells made of Si NW/a-Si:H with the hybrid contact are expected to be flexible. However, SEM observations showed cracks in the Si NW array. Because they are dense, they behave almost as a thin film and lose their flexible feature. We also wanted to understand the change in performance under high illumination. Comparing I-V curves of a Si NW/a-Si:H with a planar a-Si :H and a crystalline silicon solar cells evidenced different phenomena, reversible or not. In particular, it showed the Staebler-Wronski effect, typical of a-Si:H, and the consequences of the glass substrate on the increase of temperature and the drastic loss in performance. In addition, I used the EBIC technique (electron beam induced current) on various structures. I observed the Si NW/a-Si:H in plane-view. I also characterized III-V nanowire on silicon for tandem solar cells. Finally, I also characterized GaN/InGaN nanowires for electroluminescent diodes.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)