Elaboration et caractérisation de cellules solaires photovoltaïques tandem CuGaSe₂ / silicium cristallin : vers une approche monolithique à deux terminaux

Elaboration and characterization of CuGaSe₂ / c-Si tandem solar cells : toward a monolithic two-terminals approach

• Auteur / Autrice : Adrien Rivalland
• Direction : Nicolas Barreau, Sébastien Dubois, Ludovic Arzel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/08/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) - Institut des Matériaux Jean Rouxel
• Jury : Président / Présidente : Daniel Lincot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Solenn Berson, Stéphane Jobic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pere Roca i Cabarrocas, Daniel Bellet
• DOI : 10.70675/f5678062zb799z4e9ezbd4czc176201de45b

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Silicium -- Couches minces

Chalcopyrite

Mots clés libres

Photovoltaïque

Couche mince

Silicium

Photovoltaic

Thin film

Silicon

Résumé

Pour dépasser la barre théorique de 30% de rendement de conversion, les cellules solaires en tandem basées sur des sous cellules en silicium cristallin (c-Si) sont l'une des architectures les plus prometteuses. En outre, une approche monolithique à deux terminaux utilisant des couches minces à grand gap comme cellule supérieure ne nécessiterait pas de modification significative des modules solaires existants. L’absorbeur Cu(In,Ga)(S,Se)₂ (CIGS) est un candidat prometteur grâce à sa haute efficacité (le record de rendement en module est d'environ 19%) et à son énergie de bande interdite accordable. De plus, on peut noter que des cellules solaires CIGS sont déjà produites à l’échelle industrielle. La chalcopyrite pure-gallium et pure-sélénium CuGaSe₂ (CGSe) peut également être utilisée comme absorbeur de cellule supérieure dans un dispositif multijonction grâce à sa valeur optimale de bande interdite (1,68 eV). Néanmoins, le rendement de conversion actuel des cellules solaires à base de CGSe est encore faible (11,9%) et son intégration tandem n’améliorerait pas, en l’état, les performances de la cellule c-Si. L'objectif de cette thèse est d'optimiser l’élaboration d'une cellule solaire mono-jonction à base de CGSe, de développer un processus de dépôt de cellule supérieure sans dégradation ni contamination de la cellule inférieure en c-Si et enfin d'élaborer des cellules photovoltaïques tandem CGSe / c-Si fonctionnelles.

To overcome 30% conversion efficiency, tandem solar cells based on crystalline silicon (c-Si) sub-cells are one of the most promising architecture regarding the theoretical predictions. Furthermore, a monolithic two-terminal approach using wide bandgap thin films as top cell does not require significant modification of the existing solar modules. Cu(In,Ga)(S,Se)₂ absorber layer is a promising candidate thanks to its high efficiency (the module record efficiency is around 19%) and to its tunable bandgap energy. In addition, industrial solar cells are currently produced from this material. In-free CuGaSe₂ (CGSe) can also be used as top cell absorber in a multi-junction device thanks to its optimal bandgap value (1.68eV). Nevertheless, the actual conversion efficiency of CGSe based solar cells is still low (11.9%). The objective of this thesis is to optimize the development of a single-junction solar cell based on CGSe, to develop top cell deposition process without degradation nor contamination of the c-Si bottom cell and finally to elaborate functional CGSe / c-Si tandem solar cells.