Advanced photonic crystal assisted thin film solar cells : from order to pseudo-disorder

par He Ding

Thèse de doctorat en Photonique

Sous la direction de Christian Seassal et de Emmanuel Drouard.

Soutenue le 29-01-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) (laboratoire) et de École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Anne Kaminski-Cachopo.

Le jury était composé de Christian Seassal, Emmanuel Drouard, Nathalie Destouches.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Centeno, Jean-Jacques Simon.

  • Titre traduit

    Photovoltaïques à cellules solaires en couches minches avancées à cristaux photoniques : de l'ordre au pseudo-désordre


  • Résumé

    Dans les cellules solaires en couches minces de silicium, il est important de maximiser l'efficacité d'absorption, notamment afin d'atteindre une densité de courant de court-circuit (Jsc) suffisante. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé des stratégies de piégeage de la lumière à base de cristaux photoniques (CP) simplement périodiques et des structures plus complexes, pseudo-désordonnées. Ce travail vise à intégrer de telles structures dans des cellules solaires en couches minces de silicium cristallin (c-Si). Tout d'abord, un CP à maille carrée de trous cylindriques ou de nano-pyramides inversées ont été intégrés dans cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si en couches minces. L'absorption dans la seule couche absorbante (c-Si) est optimisée grâce à des simulations numériques utilisant la méthode de différences finies dans le domaine temporel. Le Jsc est augmenté de 56,4% (trous cylindriques) et 104,8% (nanopyramides inversées) par rapport au cas sans motif. Nous avons également examiné des structures plus élaborées, où plus un CP de trous cylindriques est introduit en face arrière. Deuxièmement, nous avons considéré des nanostructures complexes mais réalistes pseudo-désordonné, sur la base de supercellules périodiquement reproduites où les trous sont placés au hasard. Dans de telles structures l'absorption peut être augmentée par rapport à un réseau carré de trous optimisé, par augmentation de la densité spectrale de modes optiques. La simulation basée sur l'analyse rigoureuse couplée et la fabrication par lithographie par faisceau électronique et les technologies de gravure ionique réactive ont été effectués, conduisant à une augmentation de l'absorption nette d'environ 2,1% en théorie, et de 2,7% expérimentalement. Enfin, nous avons mis en place des structures pseudo-désordonnées avec supercellules de tailles différentes, dans les couches c-Si de plusieurs épaisseurs dans la gamme 1-8μm. Les mécanismes d'absorption dans ces structures ont été analysés, à la fois dans les espaces réel et réciproque, en vue de déterminer des critères de conception. En outre, la réponse angulaire de la structure pseudo-désordonnée optimisée est plus stable que celle du réseau carré optimisé, en particulier dans les grandes longueurs d'onde.


  • Résumé

    In thin film silicon solar cells, it is important to take control of the absorption efficiency, in order to reach a high enough short-circuit current density (Jsc). To reach this goal, we have developed light trapping strategies based on simply periodic photonic crystals (PC) and more complex pattern structures. This work aims at integrating such structures into thin film crystalline silicon (c-Si) solar cells. Firstly, a simply periodic square lattice PC structure of cylindrical holes or inverted nano-pyramids have been considered in a-Si:H/c-Si heterojunction thin film solar cells. The absorption in the sole absorbing layer (c-Si) is considered and optimized in numerical simulations based on the Finite Difference Time Domain method. The Jsc are increased by 56.4% (cylindrical holes) and 104.8% (inverted nano-pyramids) compared to the unpatterned case. We also considered more advanced structures where an additional cylindrical holes structure is introduced in the bottom. Secondly, we have considered complex but realistic “pseudo-disordered” nanostructures, based on periodically reproduced supercells where the holes are randomly shifted. In such structures the absorption could be increased compared with fully optimized square lattice of holes, by increasing the spectral density of optical modes. Simulation based on Rigorous Coupled Wave Analysis and fabrication by electronic beam lithography and reactive ion etching technologies have been performed, leading to a net absorption increase of about 2.1% theoretically, and 2.7% experimentally. Lastly, we have introduced pseudo-disordered structures with supercells of different size, in c-Si layers of several thicknesses in the 1-8μm range. The absorption mechanisms in such structures were analyzed, both in the real and reciprocal spaces, with a view to determine design guidelines. Moreover, the angular response of the optimized pseudo-disordered structure appears to be more stable than in the optimized square lattice of holes periodic case, especially in the long wavelength range.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (167 p.)
  • Notes : Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 05 avril 2016

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2495
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