Développement de nouvelles méthodes de caractérisation optoélectroniques des cellules solaires photovoltaïques par imagerie de luminescence

par Gilbert El Hajje

Thèse de doctorat en Physique des Matériaux

Sous la direction de Jean-François Guillemoles et de Laurent Lombez.

Soutenue le 16-12-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec INSTITUT DE RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT SUR L'ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE (laboratoire) .

Le jury était composé de Pere Rocca I Cabarrocas, Thomas Unold, Alexandra Fragola, Daniel Ory, Nicolas Paul.

Les rapporteurs étaient Jean-Paul Kleider, Andrea Balocchi.


  • Résumé

    La connaissance approfondie sur la luminescence des dispositifs photovoltaïques (PV) en a fait un outil de caractérisation puissant qui capte l'intérêt de la recherche et des industries du PV. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la luminescence des cellules solaires photovoltaïques à base de Cu(In,Ga)Se2. En particulier, nous explorons et revisitons ses dépendances temporelles, spectrales et spatiales. Cela a abouti dans un premier temps à la mise au point de nouvelles méthodes de caractérisation basée sur la luminescence de cette technologie PV en particulier. Nous montrons d’abord que par l’intermédiaire d'une méthode sans contact toute optique, nous sommes en mesure de détecter et de localiser les métastabilités de cette technologie. En utilisant une approche numérique basée sur des résultats expérimentaux de photoluminescence résolue en temps (TRPL) nous avions réussi à quantifier la densité des défauts de piégeage qui sont derrière ces métastabilités. Une fois quantifiée, nous traduisons cette densité en pertes absolues de performance PV de la cellule solaire. Ensuite, en explorant la dépendance spatiale de la luminescence des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2, nous avions corrélé avec succès, ses aspects temporels et spectrales en se basant sur la microscopie confocale à balayage et l’imagerie hyperspectrale. Cela nous a permis de généraliser nos résultats précédents à l'échelle globale des cellules solaires. Cette partie de la thèse nous a aidés à mieux comprendre une des origines fondamentales derrière l’inhomogénéité spatiale de la luminescence de ce type de dispositifs photovoltaïques.La dernière partie de la thèse était essentiellement technique et exploratoire. En particulier, nous introduisons une nouvelle technique optique dans le domaine de la caractérisation des dispositifs PV. Cette technique est dédiée à l’imagerie résolue en temps du temps de vie de fluorescence (TR-FLIM). Le principe de cette technique consiste essentiellement en acquisition d'images de luminescence du dispositif PV qui sont résolues temporellement. Avec ce nouveau dispositif expérimental, nous sommes maintenant en mesure de résoudre spatialement, et en temps réel la dynamique des porteurs de charge d'une technologie photovoltaïque donnée et accéder à ses propriétés électroniques clés. Une première démonstration a été faite sur une cellule solaire à base de GaAs, et pour laquelle nous avions extrait optiquement, la longueur de diffusion, la mobilité et le temps de vie de ses porteurs. De plus, nous avions pu estimer le coefficient de diffusion du matériau et son taux de dopage.

  • Titre traduit

    Development of characterization methods for thin film solar photovoltaics using time-resolved and hyperspectral luminescence imaging


  • Résumé

    The extensive knowledge on the luminescence of photovoltaic (PV) devices has made it a powerful characterization tool that captures the interest of both research and industrial PV communities. In this thesis, we focus on the luminescence of Cu(In,Ga)Se2-based solar PV. In particular, we explore and revisit the luminescence temporal, spectral and spatial dependencies. This resulted in the development of new luminescence-based characterization methods for this particular PV technology. We show initially that by means of an all-optical, contactless methodology, we are able to detect and localize the metastabilities of this technology. Using a numerical approach based on experimental time-resolved photoluminescence (TRPL) we managed to quantify the trapping defects that are behind these metastabilities. Once quantified, we translated it into absolute losses in the PV performance of the solar cell. By exploring the spatial dependence of the luminescence of Cu(In,Ga)Se2 solar cells, we successfully correlated its temporal and spectral aspects based on scanning confocal microscopy and hyperspectral imaging. This allowed us to generalize our previous findings at the global solar cell scale. This part of the thesis helped us better understand one of the fundamental origins behind the spatially inhomogeneous luminescence of Cu(In,Ga)Se2 PV devices. The final part of the thesis was mainly technical and exploratory. In particular, we introduced a new optical technique to the field of PV characterization. It is dedicated to time-resolved fluorescence lifetime imaging (TR-FLIM) which basically consists of acquiring time-resolved luminescence images of the PV device. With this new setup we are now able to spatially resolve, in real-time the charge carrier dynamics of a given PV technology and access its key electronic properties. A first application was made on a GaAs-based solar cell, for which we were able to optically extract the mobility, diffusion length and lifetime of its carriers. Finally, we were also able to estimate the diffusion coefficient of the material and its doping density.

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