Modélisation et caractérisation de matériaux et nanostructures pour les applications photovoltaïques

by Zuzana Mrazkova

Doctoral thesis in Physique

Under the supervision of Pere Roca i Cabarrocas, Martin Foldyna and Kamil Postava.

Thesis committee President: Jaromír Pištora.

Thesis committee members: Pere Roca i Cabarrocas, Martin Foldyna, Kamil Postava, Jean-Paul Kleider.

Examiners: Kurt Hingerl, Morten Kildemo, Janez Krč.

  • Alternative Title

    Modeling and characterization of materials and nanostructures for photovoltaic application


  • Abstract

    Research in photovoltaics aims at lowering the price per watt of generated electrical power. Substantial efforts aim at searching for new materials and designs which can push the limits of existing solar cells. The recent development of complex materials and nanostructures for solar cells requires more effort to be put into their characterization and modeling. This thesis focuses on optical characterization, modeling, and design optimization of advanced solar cell architectures.Optical measurements are used for fast and non-destructive characterization of textured samples for photovoltaic applications. Surface textures enhance light-trapping and are thus desired to improve the solar cell performance. On the other hand, these textures make optical characterization more challenging and more effort is required for both, the optical measurement itself and subsequent modeling and interpretation of obtained data. In this work, we demonstrate that we are able to use optical methods to study the widely used pyramidal textures as well as very challenging randomly oriented silicon nanowire arrays.At first, we focused on the optical study of various pyramidal surfaces and their impact on the silicon heterojunction solar cell performance. We have found that vertex angles of pyramids prepared using various texturing conditions vary from the theoretical value of 70.52° expected from crystalline silicon. This change of the vertex angle is explained by regular monoatomic terraces, which are present on pyramid facets and are observed by atomic resolution transmission electron microscopy. The impact of a vertex angle variation on the thicknesses of deposited thin films is studied and the consequences for resulting solar cell efficiency are discussed. A developed optical model for calculation of the reflectance and absorptance of thin film multi-layers on pyramidal surfaces enabled a solar cell design optimization, with respect to a given pyramid vertex angle.In-situ Mueller matrix ellipsometry has been applied for monitoring the silicon nanowire growth process by plasma-enhanced vapor-liquid-solid method. We have developed an easy-to-use optical model, which is to our knowledge a first model fitting the experimental ellipsometric data for process control of plasma-assisted vapor-liquid-solid grown nanowires. The observed linear dependence of the silicon material deposition on the deposition time enables us to trace the fabrication process in-situ and to control material quality.


  • Abstract

    La recherche sur le photovoltaïque vise à réduire le prix par watt de puissance électrique générée. Des efforts considérables sont menés pour rechercher de nouveaux matériaux et des conceptions qui repoussent les limites des cellules solaires existantes. Le développement récent de matériaux et nanostructures complexes pour les cellules solaires nécessite des efforts plus importants pour mener à bien leur caractérisation et leur modélisation. Cette thèse porte sur la caractérisation optique, la modélisation et l'optimisation de la conception d'architectures de cellules solaires de pointe.Les mesures optiques sont utilisées pour la caractérisation rapide et non destructive des échantillons texturés pour les applications photovoltaïques. Les textures de surface améliorent le piégeage de la lumière et sont donc souhaitées pour améliorer les performances des cellules solaires. D'autre part, ces textures rendent la caractérisation optique plus difficile et des efforts plus importants sont nécessaires non seulement pour la mesure optique elle-même mais également pour la modélisation et l'interprétation ultérieure des données obtenues. Dans ce travail, nous démontrons que nous sommes en mesure d'utiliser des méthodes optiques pour étudier les textures pyramidales très répandues ainsi que les réseaux de nanofils de silicium à orientation aléatoire dont l'analyse est très difficile.Premièrement, nous nous sommes concentrés sur l'étude optique de diverses surfaces pyramidales et de leur impact sur les performances des cellules silicium à hétérojonction. Nous avons constaté que les angles au sommet des pyramides, préparées à l'aide de différentes conditions de texturation, diffèrent de la valeur théorique de 70.52° attendue pour le silicium cristallin. Cette modification de l'angle au sommet est expliquée par la présence, sur les facettes pyramidales, de terrasses monoatomiques régulières, observées par microscopie électronique à transmission de résolution atomique. L'impact d'une variation de l’angle au sommet sur les épaisseurs des couches minces déposées est étudié et les conséquences sur l'efficacité des cellules solaires résultantes sont discutées. Un modèle optique développé pour le calcul de la réflectance et de l'absorption des couches minces en multicouches sur surfaces pyramidales a permis l’optimisation de la conception de la cellule solaire pour un angle au sommet pyramidal donné.L'ellipsométrie matricielle Mueller a été utilisée in-situ pour caractéiser le processus de croissance - par méthode vapeur-liquide-solide activée par plasma - des nanofils de silicium. Nous avons développé un modèle optique facile à utiliser, qui, à notre connaissance, est le premier modèle utilisant des données ellipsométriques expérimentales pour contrôler le procédé de croissance, en phase vapeur-liquide-solide assisté par plasma, des nanofils. La dépendance linéaire observée du dépôt de matériau de silicium avec le temps de dépôt nous permet de suivre le processus de fabrication in situ et de contrôler la qualité du matériau.


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