Silicon Nanowires for Photovoltaics : from the Material to the Device

par Alienor Togonal

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pere Roca i Cabarrocas.

Soutenue le 20-04-2016

à Paris Saclay en cotutelle avec Nanyang Technological University , dans le cadre de École doctorale Approches interdisciplinaires : fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau] (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Nanofils de silicium pour le solaire : du matériau à la cellule photovoltaïque


  • Résumé

    Les cellules solaires à base de nanofils de silicium offrent une alternative intéressante pour la réalisation de panneaux photovoltaïques à haut rendement et à faible coût. Elles bénéficient notamment des excellentes propriétés optiques des nanofils qui forment une surface à très faible réflectivité tout en piégeant efficacement la lumière. Dans cette thèse, nous utilisons et améliorons une méthode de gravure chimique peu coûteuse et industrialisable pour la fabrication de forêts de nanofils de silicium. En adaptant la mouillabilité du substrat et des nanofils, nous avons remédié au problème d'agglomération inhérent à cette méthode lorsqu’on veut obtenir des forêts denses et désordonnées de nanofils. En combinant cette méthode de gravure chimique à la lithographie assistée par nanosphères, nous avons pu fabriquer des réseaux ordonnés de nanofils avec un contrôle précis des propriétés géométriques (diametre des nanofils et distance entre eux). Les propriétés optiques de ces réseaux ont été étudiées théoriquement et expérimentalement afin d'identifier les configurations optimales. Nous avons ensuite fabriqué des cellules solaires à partir de ces différents types de nanofils et deux types de structures. Le premier type, des cellules solaires HIT (Hétérojonction avec couche mince Intrinsèque) à base de nanofils de silicium, a été fabriqué par RF-PECVD. L'optimisation des conditions de dépôt plasma nous a permis d'obtenir des cellules solaires hautement performantes: rendements de 12,9% et facteurs de forme au-delà de 80%. Le second type, des cellules solaires hybrides, est basé sur la combinaison d'une couche organique et des nanofils de silicium. La caractérisation des cellules fabriquées montre des rendements prometteurs. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires pour transférer ces concepts à une technologie couches minces.


  • Résumé

    Silicon Nanowire (SiNW) based solar cells offer an interesting choice towards low-cost and highly efficient solar cells. Indeed solar cells based on SiNWs benefit from their outstanding optical properties such as extreme light trapping and very low reflectance. In this research project, we have fabricated disordered SiNWs using a low-cost top-down approach named the Metal-Assisted-Chemical-Etching process (MACE). The MACE process was first optimized to reduce the strong agglomeration observed at the top-end of the SiNWs by tuning the wettability properties of both the initial substrate and the SiNWs surface. By combining the MACE process with the nanosphere lithography, we have also produced ordered SiNW arrays with an accurate control over the pitch, diameter and length. The optical properties of these SiNW arrays were then investigated both theoretically and experimentally in order to identify the geometrical configuration giving the best optical performance. Disordered and ordered SiNW arrays have been integrated into two types of solar cells: heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) and hybrid devices. SiNW based HIT devices were fabricated by RF-PECVD and the optimization of the process conditions has allowed us to reach efficiency as high as 12.9% with excellent fill factor above 80%. Hybrid solar cells based on the combination of SiNWs with an organic layer have also been studied and characterized. The possible transfer of this concept to the thin film technology is finally explored.


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