Conception and realization of solar cells based on silicon nanostructures

par Di Zhou

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications

Sous la direction de Didier Stiévenard et de Odile Cristini-Robbe.

  • Titre traduit

    Conception et réalisation de cellules solaires à base de nanostructures silicium


  • Résumé

    Dans les cellules solaires planaires silicium, le matériau doit être assez épais pour que l’absorption des photons soit efficace, et dans le même temps, l’accroissement de l’épaisseur augmente les chances de recombinaison des porteurs. Afin d’avoir à la fois absorption et couche mince, des structures radiales (nanopiliers ou nanocones) peuvent être utilisées, qui ont des diamètres inférieurs à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, ce qui garantit une bonne collecte des porteurs. Ce travail présente la réalisation et la caractérisation de cellules solaires silicium bas coût, basées sur des nanostructures (piliers ou cônes). Pour la nanostructuration, l’usage d’un masqueur électronique est évité grâce à l’utilisation de microbilles de silice, déposées par technique Langmuir-Blodget et servant de masque à la gravure sèche des nanostructures. L’électrode face avant est en ZnO, obtenue par technique sol-gel. Avant la fabrication, une simulation des propriétés optiques des nanostructures en fonction de leur forme (densité, hauteur, diamètre,) a été réalisée à l’aide de calculs FDTD (Finite Difference Time Domain). La synthèse des films ZnO par sol gel a été optimisée (concentration des dopants, recuit thermique, hydrogénation, …) afin d’avoir la meilleure transparence optique et la plus faible résistivité. Finalement, des cellules solaires n+- i - p ont été réalisées, assemblant nanostructures et couche ZnO. Des étapes supplémentaires de passivation des défauts de surface et d’interfaces associés aux nanostructures ont été finalement menées.


  • Résumé

    For planar p-n junction solar cell, the material must be thick enough to have enough absorption, whereas increasing the thickness leads to the increase of recombination of carriers. In order to decouple the requirement of light absorption and carrier collection, nanopillars (or nanocones) radial p-n junction are introduced. Nanopillars (or nanocones) have greater absorption and radial geometry offers minimal recombination if the diameter of nanopillars ( or nanocones ) is smaller than the minority carrier diffusion length. This work presents the realization and characterization of low-cost Si nanostructures (nanopillars and nanocones) solar cell with sol-gel derived ZnO transparent electrodes. In order to decrease the fabrication price, silica balls and Lamguir-Blodgett techniques are used as the substitutes of photoresist and electrical beam lithography, respectively. Besides, ZnO thin film transparent electrodes are synthesized by low-cost sol-gel methods For pursuiting high efficiency, first of all, we have tested the absorption of nanopillars and nanocones by varying their periods, diameters, lengths and sidewalls. Second, we have optimized the electrical properties of ZnO thin film by changing the synthesis parameters, such as doping concentration, baking temperature, anneal temperature and hydrogen treatment. In the end, solar cells were fabricated based on optimized Si nanostructures and optimized ZnO thin films. Due to their bad electrical properties associated with surface defects, surface passivation methods were performed to reduce the defects concentration in p-i-n junction and improve the efficiency of solar cells.


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