Collage III-V//Si par couches transparentes conductrices pour cellules solaires tandem

Gluing III-V//Si with transparent conductive layers for tandem solar cells

• Auteur / Autrice : Phuong-Linh Nguyen
• Direction : Stéphane Collin, Andrea Cattoni, Philippe Baranek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 25/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Institut photovoltaïque d’Île-de-France - Électricité de France. Division Recherches et développement. Département EFESE
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Talneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Kaminski-Cachopo, Yvan Cuminal, Romain Cariou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Kaminski-Cachopo, Yvan Cuminal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Assemblages collés

Conversion photovoltaïque

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Tandem III-V sur Si

Collage

Sol-gels

PEDOT:PSS

Recyclage de photon

Piégeage de la lumière

III-V on Si tandem

Wafer bonding

Sol-gel

PEDOT:PSS

Photon recycling

Light trapping

Résumé

95% de la production photovoltaïque totale en 2020 est réalisée à partir de silicium. À l'échelle du laboratoire, le rendement record des cellules solaires silicium simple-jonction a atteint 27.6%, proche du rendement limite théorique de 29.4%. Une alternative pour mieux exploiter le spectre solaire consiste à combiner plusieurs semi-conducteurs dans des cellules solaires tandem, avec un rendement théorique de près de 45% pour une cellule solaire tandem optimale à double-jonction à base de Si. Les meilleures performances ont été obtenues par collage direct de III-V sur Si, mais la mise à l’échelle de cette technologie est difficile. Dans cette thèse, nous avons conçu et développé une nouvelle méthode de collage, potentiellement peu coûteuse, pour les cellules solaires tandem III-V sur silicium à deux terminaux, basée sur des couches transparentes conductrices (TCL). Cet empilement de TCL est composé de deux revêtements antireflets (ARCs) dérivés de sol-gels et d'une couche à faible indice de réfraction. Les ARCs assurent des contacts ohmiques avec les sous-cellules et la transmission des photons de faible énergie à la cellule de silicium. La couche à faible indice de réfraction assure à la fois l'interconnexion électrique entre les sous-cellules et un meilleur recyclage des photons dans la cellule supérieure (gain d'efficacité pouvant atteindre 0.9% en valeur absolue). L’empilement TCL a été optimisé à l'aide d'outils de simulation optique afin d'obtenir une concordance de courant avec une perte de courant minimale, similaire au cas de l'architecture à collage direct. Le processus de laminage est réalisé dans l'air, à basse température de polymérisation (120°C) à l'aide d'une simple presse hydraulique. Un processus de photolithographie reproductible et robuste à une basse température de 80°C a également été optimisé avec succès. Nous avons fabriqué une première génération de cellule tandem AlGaAs/TCLs/Si ayant une surface de 1 cm², avec une cellule Si de type TOPCon et une colle à base de PEDOT:PSS, qui montre des résultats prometteurs. Une stratégie de piégeage de la lumière utilisant une couche nanostructurée insérée à l'arrière de la cellule supérieure a également été explorée par des simulations électromagnétiques, en tenant compte des contraintes pratiques. Cette stratégie permet de minimiser l'utilisation de matériaux III-V par un facteur de 2.6.

95% of the total photovoltaic production in 2020 is made from silicon. At lab scale, the record efficiency of single-junction silicon solars cell reached 27.6%, close to the theoretical limit efficiency of 29.4%. An alternative way to better exploit the solar spectrum is to combine several semiconductor materials into tandem solar cells, with a theoretical efficiency of almost 45% for an optimal dual-junction Si-based tandem solar cells. The best performances have been obtained by direct wafer bonding of III-V on Si, but this technology is hardly scalable. In this thesis, we designed and developed a new and potentially low-cost gluing method for two-terminal III-V on silicon tandem solar cells based on transparent, conductive layers (TCLs). This TCL stack is composed of two sol-gel derived antireflection coatings (ARCs) and a low refractive index layer. The ARCs ensure ohmic contacts with the sub-cells and the transmission of low-energy photons to the silicon cell. The low refractive index layer provides both the electrical interconnection between sub-cells and an enhanced photon recycling in the top cell (efficiency gain up to 0.9% absolute). The TCL stack was optimized using optical simulation tools to achieve current matching with minimal current loss, similar to the direct bonding architecture. The lamination process is performed in air, using a simple hydraulic press at low curing temperature (120°C). A reproducible and robust photolithography process at a low temperature of 80°C was also successfully optimized. We fabricated a first generation AlGaAs/TCLs/Si 1 cm² tandem cell with TOPCon Si solar cell and PEDOT:PSS-based glue, showing promising results. A light trapping strategy using a nanostructured layer inserted at the back of the top cell was also explored by electromagnetic simulations, considering practical constraints. This strategy allows to minimize the use of III-V materials by a factor of 2.6.