Cellule photovoltai͏̈que MIND-amélioration du rendement quantique interne à l'aide d'une sous-structure active enterrée dans l'émetteur

• Auteur / Autrice : Marc Ley
• Direction : Zbigniew T. Kuznicki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des semi-conducteurs
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Conversion photovoltaïque

Photopiles

Résumé

Les cellules photovoltai͏̈ques offrent une source d'énergie propre et inépuisable pour le future sous condition de percées par rapport aux performances des dispositifs d'aujourd'hui. Dans ce travail, nous nous concentrons sur des aspects pouvant propulser le rendement de la conversion photovoltai͏̈que au-delà des limites actuelles afin de la rendre compétitive aux sources d'énergie conventionnelles. La première partie est consacrée aux nouveaux concepts théoriques regroupées sous la désignation de 3ème génération des cellules solaires. Nous examinons l'utilisation d'une bande d'énergie intermédiaire et 1'exploitation de l'ionisation par impact à faible énergie d'excitation. Par la suite, nous étudions des éléments de réalisation de cellules modèles en silicium capables de fonctionner selon les idées précédentes et fabriquées à partir d'un concept original par implantation ionique suivie d'un traitement thermique. Elles représentent une étape intermédiaire vers la cellule finie et sont caractérisées à l'aide de différentes techniques dans des laboratoires spécialisés. Nous exploitons expérimentalement et théoriquement la présence d'une sous-structure continue dans l'émetteur. Elle provoque l'apparition d'une zone morte séparée du reste du dispositif par une limite de collecte des porteurs minoritaires. Il est ainsi aisé de mettre en évidence le flux lumineux absorbé dans la zone active et déterminer avec la précision suffisante les endroits aux propriétés optoélectroniques nouvelles. Des effets nouveaux jamais évoqués auparavant ont été observés. Une étude approfondie du rendement de collecte de la partie active du dispositif met en évidence une absorbance améliorée dans la zone amorphisée et dans les couches soumises à un champ de contrainte mécanique local. Nous identifions, sur la base de la théorie de collecte et d'un calcul auto-corrélé, une augmentation fondamentale du rendement quantique interne des couches sous contrainte interprétée comme le résultat d'une multiplication des porteurs faible seuil.

Photovoltaic solar cells that convert solar light into electricity would represent a clean and inexhaustible energy source for the future on the condition of a breakthrough in comparison with today's devices performances. In this work, we concentrate on aspects able to raise the photovoltaic conversion efficiency above the limitations of present cells and make solar energy competitive with conventional energy sources. The first part of the study is devoted to new theoretical ideas considered as 3rd generation of photovoltaics. More precisely, we investigate the use of an intermediate energy band and the exploitation of low-energy-threshold impact ionisation. Next, we study elements of realisation of model silicon solar cells capable to function according to the preceding ideas and fabricated on the basis of an original concept by ion implantation followed by a thermal treatment. They represent an intermediate step towards a final photovoltaic cell and have been characterised by different techniques in specialized laboratories. We exploit theoretically and experimentally a continuous substructure in the emitter. It induces a dead zone separated from the bulk by a minority carrier collection limit. It is then easy to quantify the light flux absorbed in the active zone and determine with a sufficiently good precision the zones with new optoelectronic properties. Effects never mentioned before have been observed. A deeper analysis of the experimental collection efficiency of the active device zone shows an increased absorbance in the amorphised zone produced by the implantation and in the recrystallized layers submitted to a local mechanical stress field. On the basis of the collection theory and an auto-correlated calculation, we identify a fundamental increase of the internal quantum efficiency in the stressed recrystallised layers, which can be interpreted as the result of a low-energy carrier multiplication.