Nanostructured hybrid solar cells based on PECVD grown SiNWs and organic semiconducting polymers

par Taewoo Jeon

Thèse de doctorat en Physique et sciences des matériaux

Sous la direction de Yvan Bonnassieux.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Cellules solaires hybrides à base de polymères et de nanofils de silicium fabriqués par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma


  • Résumé

    Les cellules photovoltaiques proposent une solution au problème énergétique en raison de leur source inépuisable: le soleil. Plusieurs types de cellules, qu'elle soient inorganiques ou organiques, sont étudiées, avec comme objectif d'obtenir de hauts rendements pour de faibles coûts. Dans ce contexte, ce travail de thèse se propose d'étudier des cellules solaires hybrides nanostructurées à base de nanofils de silicium et de matériaux organiques afin de bénéficier des avantages de ces différents matériaux. La morphologie controlée de la croissance des nanofils de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) via un procédé Vapeur-Liquide-Solide est présentée. Le mélange de matériaux organiques est ensuite déposé sur les nanofils de silicium par un procédé d'enduction par centrifugation. Dans ce type de cellules hybrides, les nanofils de silicium jouent le rôles de matériaux accepteurs ou aident à l'absorption de la lumière. Pour améliorer les performance de ces cellules, il est nécessaire d'optimiser la qualité du réseau de nanofils par une gravure chimique visant à éliminer les traces de catalyseur résiduelles ainsi que l'oxyde natif du silicium. Cet effet de la gravure a été largement étudié et discuté. De plus les propriétés d'accepteur d'électrons des nanofils de silicium à base de catalyseurs de Bismuth ont été étudiées. Les résultats montrent clairement le potentiel de ce type de cellules, notamment 1) l'augmentation de la conversion de lumière par l'amélioration de l'efficacité du rendement quantique pour les grandes longueurs d'onde, 2) l'utilisation d'une grande variété de nanofils avec des morphologies et propriétés électriques finement controlées.


  • Résumé

    Solar cells are an exciting alternative energy technology due to the infinite energy source, the Sun. Many types of solar cells based on inorganic or organic materials are currently developed with the objective of higher efficiency and lower cost. In this context, this thesis suggests to study nano-structured hybrid solar cells based on silicon nanowires (SiNWs) and organic active materials to benefit advantages of both materials. SiNWs are grown by PECVD on transparent conducting oxide via Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism with careful control of their nano-morphology. The organic materials made of polymers or blend polymers are then deposited by spin-coating on top of SiNWs. In these hybrid solar cells the SiNWs are used as light-trapping medium and/or electron acceptor material. For better solar cell performance, the optimization of SiNWs array is carried out by removing residual catalyst and etching parasitic hydrogenated amorphous silicon. Their effects on hybrid solar cells have been fully analyzed and discussed. Furthermore, the electron-acceptor properties of the nano-structured SiNWs have been estimated with Bismuth-doped n-type SiNWs. The results clearly reveal the potential of this type of hybrid solar cells, namely, 1) power conversion efficiency improvement by enhancing external quantum efficiency in longer wavelength regime and 2) variety uses of SiNWs by tuning their electrical property and morphology.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (196 p.)

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