Étude et optimisation de l'absorption optique et du transport électronique dans les cellules photovoltaïques à base de nanofils

par Jérôme Michallon

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Anne Kaminski-Cachopo et de Vincent Consonni.

Le président du jury était Abdelilah Slaoui.

Le jury était composé de Yves Jourlin.

Les rapporteurs étaient Denis Mencaraglia, Christian Seassal.


  • Résumé

    La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d’énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l’ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu’une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l’industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d’électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu’ils profitent en particulier d’une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l’absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l’absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L’intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L’objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d’élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant.

  • Titre traduit

    Study and optimization of the optical absorptance and electrical transport in photovoltaic nanowire based solar cells


  • Résumé

    Photovoltaic energy is a very attractive way to produce renewable energy. The current increase in the photovoltaic energy production mainly takes advantage of the continuous decrease in the solar cell cost as well as to incentive policy. However, installed photovoltaic panels only contribute to a very small part of the global electricity production. Therefore, important technological developments are dedicated to the second generation of solar cells (i.e. thin film solar cells) in order to reduce more their manufacturing cost despite the resulting lower conversion efficiency owing to a weaker structural and optical material quality. One alternative way to increase the solar cell efficiency is to fabricate nanowire-based solar cells since they may benefit from a higher light absorption and carrier collection efficiency. The light absorption is actually increased thanks to the high surface/volume ratio of nanowires but also to light trapping related to the nanowire length. Furthermore, the collection of minority charge carriers is more efficient in radial structures (i.e. core-shell structures) since the nanowire diameter is very small. This PhD thesis aims at investigating the optoelectronic properties of silicon and ZnO/CdTe nanowires (absorption, lifetime of minority charge carriers, bulk and surface recombination…) in order to design an optimised nanowire-based solar cell structure. Electromagnetic simulations will be first performed to define the best nanowire geometry for the absorbance, and then compared to experimental measurements of the absorption coefficient. Electrical characterisations (lifetime measurements, surface recombination…) will be also achieved to analyse the structural quality and to simulate the solar cell electrical properties. Some prototypes of optimised solar cells will eventually be fabricated.


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