Nanostructured ultrathin GaAs solar cells

par Nicolas Vandamme

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Collin.

Le président du jury était Béatrice Dagens.

Le jury était composé de Béatrice Dagens, Anna Fontcuberta i Morral, Emmanuel Centeno, Frank Dimroth, Philippe Lalanne.

Les rapporteurs étaient Anna Fontcuberta i Morral, Emmanuel Centeno.

  • Titre traduit

    Cellules solaires ultrafines nanostructurées en GaAs


  • Résumé

    L’amincissement des cellules solaires semi-conductrices est motivé par la réduction des coûts de production et l’augmentation des rendements de conversion. Mais en deçà de quelques centaines de nanomètres, il requiert de nouvelles stratégies de piégeage optique. Nous proposons d’utiliser des concepts de la nanophotonique et de la plasmonique pour absorber la lumière sur une large bande spectrale dans des couches ultrafines de GaAs. Nous concevons et fabriquons pour ce faire des structures multi-résonantes formées de réseaux de nanostructures métalliques. Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de confiner la lumière dans une couche de 25 nm de GaAs à l’aide d’une nanogrille bidimensionnelle pouvant servir de contact électrique en face avant. Nous analysons numériquement les modes résonants qui conduisent à une absorption moyenne de 80% de la lumière incidente entre 450 nm et 850 nm. Ces résultats sont validés par la fabrication et la caractérisation de super-absorbeurs ultrafins multi-résonants. Dans un second temps, nous appliquons une approche similaire dans le but d’obtenir des cellules photovoltaïques dix fois plus fines que les cellules GaAs records, avec des absorbeurs de 120 nm et 220 nm seulement. Un miroir arrière nanostructuré en argent, associé à des contacts ohmiques localisés, permet d’améliorer l’absorption tout en garantissant une collecte optimale des porteurs photo-générés. Nos calculs montrent que les densités de courant de court-circuit (Jsc) dans ces structures optimisées peuvent atteindre 22.4 mA/cm2 et 26.0 mA/cm2 pour les absorbeurs d’épaisseurs respectives t=120 nm et t=220 nm. Ces performances sont obtenues grâce à l’excitation d’une grande variété de modes résonants (Fabry-Pérot, modes guidés,…). En parallèle, nous avons développé un procédé de fabrication complet de ces cellules utilisant la nano-impression et le transfert des couches actives. Les mesures montrent des Jsc records de 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) et 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). Ces résultats ouvrent la voie à l’obtention de rendements supérieurs à 20% avec des cellules solaires simple jonction d’épaisseur inférieure à 200 nm.


  • Résumé

    The thickness reduction of solar cells is motivated by the reduction of production costs and the enhancement of conversion efficiencies. However, for thicknesses below a few hundreds of nanometers, new light trapping strategies are required. We propose to introduce nanophotonics and plasmonics concepts to absorb light on a wide spectral range in ultrathin GaAs layers. We conceive and fabricate multi-resonant structures made of arrays of metal nanostructures. First, we design a super-absorber made of a 25 nm-thick GaAs slab transferred on a back metallic mirror with a top metal nanogrid that can serve as an alternative front electrode. We analyze numerically the resonance mechanisms that result in an average light absorption of 80% over the 450nm-850nm spectral range. The results are validated by the fabrication and characterization of these multi-resonant super-absorbers made of ultrathin GaAs. Second, we use a similar strategy for GaAs solar cells with thicknesses 10 times thinner than record single-junction photovoltaic devices. A silver nanostructured back mirror is used to enhance the absorption efficiency by the excitation of various resonant modes (Fabry-Perot, guided modes,…). It is combined with localized ohmic contacts in order to enhance the absorption efficiency and to optimize the collection of photogenerated carriers. According to numerical calculations, the short-circuit current densities (Jsc) can reach 22.4 mA/cm2 and 26.0 mA/cm2 for absorber thicknesses of t=120 nm and t=220 nm, respectively. We have developed a fabrication process based on nano-imprint lithography and on the transfer of the active layers. Measurements exhibit record short-circuit currents up to 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) and 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). These results pave the way toward conversion efficiencies above 20% with single junction solar cells made of absorbers thinner than 200 nm.


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