Accroissement de l'absorption lumineuse au sein de cellules solaires à couches minces de silicium par addition de nanoparticules et de nanostructures métalliques

par Etienne Moulin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de François-Xavier Royer.

Le président du jury était Uwe Kreibig.

Le jury était composé de Olivier Pages, Uwe Rau, Susanne Siebentritt, Abdelillah Slaoui, Joachim Sukmanowski.


  • Résumé

    Afin de parvenir à des rendements élevés, les cellules solaires à couches minces de silicium doivent présenter une forte absorption de la lumière. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser des nanoparticules et nanostructures métalliques comme nouvelle approche pour piéger la lumière au sein de cellules solaires à couches minces de silicium. Les propriétés optiques spécifiques des nanoparticules métalliques sont une conséquence de l'apparition d'un phénomène de résonance dans leur spectre d'absorption et de diffusion, connu sous le nom de résonance de «plasmon localisé de surface» (LSP : localized surface plasmons). Pour des particules suffisamment petites (<50nm), l'absorption LSP est accompagnée par une forte augmentation du champ électromagnétique à l'intérieur et au voisinage des nanoparticules, La première partie de ce travail est motivée par l'exploitation de ce renforcement du champ électromagnétique, Dans cette approche, l'objectif est de confiner la lumière dans la couche active des cellules solaires. La seconde approche est basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques de diamètre supérieur à 50 nm ou par des nanostructures métalliques. La section efficace de diffusion d'une nanoparticule métallique augmente rapidement avec son diamètre et atteint un maximum à l'excitation LSP. Dans ce travail, des nanoparticules de diamètres supérieur à 50 nm et des nanostructures métalliques ont été incorporées dans la partie inférieure de cellules solaires en silicium amorphe ou microcristallin

  • Titre traduit

    Thin-film silicon solar cells with integrated metal nanoparticles and metal nanostructures for enhanced light absorption


  • Résumé

    In order to achieve high efficiencies, thin-film silicon solar cells need an efficient light absorption. In this thesis, we discuss new approaches based on metal nanoparticules and metal nanostructures for light trapping in thin-film silicon solar cells, The specific optical properties of metallic nanoparticles are a consequence of the appearence of a resonance in their absorption and scattering spectra, know as the localized surface plasmon( LSP) resonance. For sufficiently small particles (<50 nm), the LSP absorption is accompanied by a strong enhancement of the electromagnetic field inside and in the surrounding of the nanoparticles. The first part of this work is motivated by the utilization of this enhanced electromagnetic field. In this approach, we target to confine the light in the active layer of thin-film silicon solar cells, The second approach is based on the light scattering of large metal nanoparticles or nanostructures. The scateering cross section of metallic nanoparticules increases rapidly with their diameter and experiences a resonance at the LSP excitation. Therefore, large metal nanoparticules and metal nanostructures were integrated at the back side of thin-film silicon solar cells


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