Développement de nouvelles méthodes de caractérisation optoélectroniques des cellules solaires

par Amaury Delamarre

Thèse de doctorat en Physique des Matériaux

Sous la direction de Jean-François Guillemoles.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    The photovoltaic energy is expected to represent an important part of our future energy sources. To improve its competitiveness, we aim at improving its efficiency and reducing the costs. To this purpose, new characterization methods are needed, both at the industry and research levels. We take advantage in this thesis of the solar cells photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL) emissions. To acquire these light fluxes, a hyperspectral imager is developed, which records spectrally resolved images, with an absolute calibration. Therefore the luminescence is measured in photons, per units of energy, time and surface. Analysis methods are developed and validated on high efficiencies gallium arsenide cells. From PL measurements, maps of the pn junction saturation currents are determined contactless. Using the EL, carriers collection efficiency and layer resistivity are probed. Standard measurement methods confirm these results. Eventually, the developed methods are applied to copper indium gallium diselenide solar cells. Such absorbers are strongly inhomogeneous, while presenting high efficiencies. Their mechanisms are not fully understood, and can be investigated by luminescence based characterization methods. For the first time, maps of the quasi-Fermi level splitting are determined from PL records. By comparison with the EL emission, collection and material quality issues can be differentiated at the micrometer scale.

  • Titre traduit

    Development of new methods of optoelectronic characterization of solar cells


  • Résumé

    L’énergie photovoltaïque est appelée à prendre une place importante dans notre futur mix énergétique. Pour augmenter sa compétitivité, l’objectif est d’en augmenter le rendement et de diminuer les coûts. Dans ce but, de nouvelles méthodes de caractérisations sont développées, pour une utilisation à la fois industrielle et au niveau de la recherche. Nous exploitons ici l’émission de photoluminescence (PL) et d’électroluminescence (EL) des cellules solaires. Pour l’acquisition du flux émis un imageur hyperspectral est développé, dont la particularité d’acquérir des images résolues spectralement, avec une calibration absolue. La luminescence est donc mesurée en photons, par unité d’énergie, de temps et de surface. Des méthodes d’analyse sont ensuite développées et validées sur une cellule haut rendement à base d’arséniure de gallium. A partir de la PL, nous déterminons sans contacts et avec une résolution spatiale les courants de saturation de la jonction pn. En EL, des grandeurs caractéristiques de collection des porteurs et de résistivité sont accessibles. Des mesures classiques viennent confirmer ces résultats. Enfin, ces méthodes sont appliquées à des cellules à base d’absorbeur de diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium. Ce matériau est fortement inhomogène tout en présentant des rendements élevés. Ses mécanismes de fonctionnement restent encore méconnus, que des méthodes de caractérisation par luminescence peuvent éclairer. Pour la première fois, nous déterminons des cartographies de la tension délivrée par la cellule en PL. Par comparaison avec le signal d’EL, nous pouvons décorréler les problèmes de collection et de qualité du matériau à l’échelle micrométrique.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (127 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.111-125. Index

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  • Cote : T PARIS 6 2013 501
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