Rare earth doped si based frequency conversion layer for si solar cell
par Lucile Dumont
Thèse de doctorat en Physique
Sous la direction de Fabrice Gourbilleau.
Soutenue en 2016
à Caen , dans le cadre de École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016) , en partenariat avec Normandie Université (2015-....) (autre partenaire) .
Le président du jury était Didier Stiévenard.
Le jury était composé de Fabrice Gourbilleau, Didier Stiévenard, Hervé Rinnert, Julien Cardin, Nicolas Barreau, Marzia Carrada.
Les rapporteurs étaient Hervé Rinnert, Nicolas Barreau.
mots clés-
Titre traduit
Couche à conversion de fréquence à base de silicium dop2 aux terres rares pour les cellules solaires au silicium
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Résumé
Cette thèse porte sur le développement de couches à conversion de fréquence basse à base de silicium permettant une augmentation du rendement des cellules solaires au silicium. Des couches de SiNx dopées avec le couple de terres rares terbium et ytterbium sont élaborées par co-pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence. Les propriétés optiques de la matrice hôte non dopée sont étudiées avant le dopage. Elle est ainsi optimisée (via les paramètres de dépôt) dans le but d’obtenir une matrice propice à la conversion en fréquence tout en étant antiréflective. Les systèmes matrice dopée terbium puis matrice dopée terbium et ytterbium sont ensuite optimisés pour obtenir une émission de photoluminescence des ions terbium et ytterbium respectivement la plus intense possible après une excitation dans l’UV. Les mécanismes de transfert de l’énergie entre la matrice et les ions terbium puis entre ces derniers et les ions ytterbium sont détaillés. Le transfert d’énergie coopératif qui a lieu entre les ions terbium et ytterbium lors de la conversion basse (ou down conversion) est très dépendant de la distance entre les ions. Ainsi, un système multicouches alternant les couches dopées avec des ions terbium et des ions ytterbium est développé pour permettre l’excitation d’un plus grand nombre d’ions Yb3+ et donc augmenter l’efficacité du système. L’influence de cette approche sur les propriétés des couches à conversion de fréquence et sur le processus de conversion basse est détaillée. Enfin, une étude sur les couches optimisées déposées sur des cellules solaires Si produites industriellement est menée pour déterminer l’influence de ces couches sur l’efficacité des cellules solaires.
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Résumé
This thesis work focuses on the development of silicon based down-conversion layers allowing the improvement of the silicon solar cells efficiency. SiNx terbium and ytterbium co-doped layers are produced by radio-frequency reactive magnetron co-sputtering. The optical properties of the undoped SiNx host matrix are investigated and optimized prior doping to obtain a layer suitable for the down-conversion process and keeping anti-reflective properties. The systems with the terbium-doped matrix and terbium-ytterbium co-doped matrix are optimized with the aim of achieving an intense photoluminescence emission from Tb3+ ions and Yb3+ ions respectively through a wide UV domain excitation. The energy transfer mechanisms between the matrix and the terbium ions and then between those last ions and the ytterbium ones are detailed. The cooperative energy transfer taking place between Tb3+-Yb3+ ions involved in the down-conversion process is highly dependent on the distance between the two ions. Thus, in order to achieve a higher quantum efficiency, a multilayer approach based on alternating stack of Tb- and Yb-doped sublayers has been developed to increase the number of excited Yb3+ ions. The effect of this approach on the frequency conversion process is discussed in details. Lastly, the optimized layers are deposited on industrial silicon solar cells in order to determine the influence of those layers on the solar cells efficiency.
