Etude de faisabilité d'un dispositif photovoltaïque à porteurs chauds

par Arthur Le bris

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Jacques Greffet et de Jean-François Guillemoles.

Le président du jury était Olivier Durand.

Le jury était composé de Jean-Jacques Greffet, Jean-François Guillemoles, Nicholas Ekins-Daukes, Xavier Marie, Yoshitaka Okada.

Les rapporteurs étaient Nicholas Ekins-Daukes, Xavier Marie.


  • Résumé

    La cellule photovoltaïque à porteurs chauds se caractérise par une population électronique hors équilibre thermique avec le réseau, ce qui se traduit par une température électronique supérieure à la température du matériau. Il devient alors possible de récupérer non seulement l'énergie potentielle des porteurs, mais également leur énergie cinétique, et donc d'extraire un surcroît de puissance qui n'est pas exploitée dans des cellules conventionnelles. Cela permet d'atteindre des rendements potentiels proches de la limite thermodynamique. L'extraction des porteurs hors équilibre se fait au moyen de membranes sélectives en énergie afin de limiter les pertes thermiques. Dans cette thèse, l'influence de la sélectivité des contacts sur les performances de la cellule est analysée par des simulations de rendement. Il apparaît que ce paramètre est moins critique qu'annoncé dans la littérature, et que des rendements élevés sont possibles avec des contacts semi-sélectifs, permettant l'extraction de porteurs au dessus d'un seuil d'énergie. De tels contacts sont non seulement beaucoup plus facilement réalisables en pratique que des contacts sélectifs, mais sont également plus compatibles avec les densités de courant élevées qui sont attendues dans de tels dispositifs. Une méthodologie expérimentale est également proposée pour analyser la vitesse de thermalisation des porteurs hors équilibre. Des porteurs sont photogénérés par un laser continu et leur température en régime stationnaire est sondée par photoluminescence en fonction de la densité de puissance excitatrice. Un modèle empirique est obtenu reliant la puissance dissipée par thermalisation à la température électronique. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler le rendement de cellules présentant une thermalisation partielle des porteurs. Enfin, un rendement de cellule réaliste présentant une absorption non idéale, une vitesse de thermalisation mesurée sur des matériaux réels et des contacts semi-sélectifs est calculé. Il ressort qu'une augmentation substantielle de rendement est possible en comparaison d'une simple jonction ayant le même seuil d'absorption, mais que la vitesse de thermalisation observée est néanmoins trop élevée pour permettre de dépasser les records de rendement actuels. Des idées sont proposées afin d'améliorer les performances des structures étudiées.

  • Titre traduit

    Feasibility study of a hot carrier photovoltaic device


  • Résumé

    A hot carrier solar cell is characterized by a carrier population in thermal non equilibrium with the lattice, that translates into carriers having a temperature higher than the material temperature. It then becomes possible to collect not only the carrier potential energy but also their kinetic energy, and thus to extract an additional power that is not used in conventional solar cells. This enables to reach a potential efficiency close to the thermodynamical limit. The extraction of carriers is made through energy selective membranes in order to reduce the heat loss. In this thesis, the impact of contact selectivity on the cell behaviour is investigated by simulating its efficiency. It appears that this parameter is not as crucial as what was said in the literature, and that a high efficiency is indeed possible with semi-selective contacts allowing carrier extraction above an energy threshold. Such contacts would not only be much easier to fabricate in practice, but are also more compatible with the high current densities that are expected in such devices. An experimental method is also proposed to determine the non equilibrium carrier cooling rate. Carriers are photogenerated by a continuous wave laser and their temperature in steady state conditions is probed by photoluminescence as a function of the excitation power density. An empirical model is obtained that relates the power dissipation due to carrier thermalization to the electron temperature. Such model can then be used in a hot carrier solar cell model to take heat losses into account. Finally, the efficiency of a realistic cell having non ideal absorption, a cooling rate measured on real materials and semi-selective contacts is simulated. It turns out that a substantial efficiency enhancement is possible compared to single junction cells with the same band gap, but that the cooling rate measured on samples is nevertheless too high to exceed today's efficiency records. Ideas are proposed to improve the performance of the structure under investigation.


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