Compréhension de la dégradation LeTID : une étude DFT des défauts ponctuels dans le silicium.

Understanding LeTID degradation : a DFT study of point defects in silicon.

• Auteur / Autrice : Elisa Tejeda zacarias
• Direction : Holger Vach
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau] / LPICM
• Jury : Président / Présidente : Claudine Crepin-Gilbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Holger Vach, Khaled Hassouni, Thierry Belmonte, Philippe Baranek, Anne Hemeryck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khaled Hassouni, Thierry Belmonte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Couches minces

Générateurs photovoltaïques

Industrie solaire

Mots clés libres

Silicon

Cellule solaire

Degradation

LeTID

Défauts

Silicon

Solar cell

Degradation

LeTID

Defects

Résumé

Actuellement, la recherche et le développement de technologies photovoltaïques qui améliorent à la fois leur efficacité et leur coût de production sont des priorités de l'industrie solaire.En particulier, une part non négligeable des études portent sur les mécanismes de vieillissement des panneaux solaires qui ont un impact déterminant sur leur efficacité et durabilité.L'une des causes de la baisse de performance des panneaux à base de silicium est liée aux dégradations induites par la lumière et les températures élevées (LeTID).Ce phénomène apparaît après plusieurs mois d'utilisation et peut être responsable de la réduction de l'efficacité des cellules de 16%.Bien que des études expérimentales montrent que différents défauts dans le silicium, tels que l'hydrogène et les impuretés métalliques, sont impliqués dans les mécanismes sous-jacents au LeTID, leurs contributions restent encore mal comprises. Dans ce contexte, les méthodes atomiques théoriques, basées sur les premiers principes de la mécanique quantique de type DFT, représentent des outils intéressants pour essayer de comprendre cette dégradation aux niveaux nanométrique. En analysant la stabilité et l’impact de l'hydrogène, des lacunes du silicium, du silicium interstitiel ainsi que des impuretés métalliques (telles que Ni et Co) sur les propriétés du silicium, cette étude propose une approche théorique, basée sur l’utilisation de fonctionnelle hybride, afin de modéliser les mécanismes précurseurs de la LeTID. Elle suggère que les impuretés liées à l'hydrogène peuvent agir comme des centres de recombinaison caractérisant la LeTID.En outre, il est démontré que le nickel et le cobalt interstitiels liés à l'hydrogène peuvent provoquer la LeTID, ce qui donne des indications précieuses sur la dynamique de ce type de vieillissement. L'approche proposée dans ce travail offre la possibilité d'améliorer les stratégies d’inhibition de ce type de dégradation et d’identifier les risques de LeTID dans différentes conditions d’exploitation.

Currently, the research and development of photovoltaic technologies that improve both their efficiency and production costs are priorities for the solar industry.In particular, a significant amount of research is focused on the aging mechanisms of solar panels, which have a major impact on their efficiency and durability. One of the causes of the decrease in performance of silicon-based panels is related to light and elevated temperature induced degradation (LeTID). This phenomenon appears after several months of use and can be responsible for a 16% reduction in cell efficiency. Although experimental studies show that various defects in silicon, such as hydrogen and metallic impurities, are involved in the mechanisms underlying LeTID, their contribution remains poorly understood,In this context, theoretical atomic methods, based on the first-principles of quantum mechanics calculations such as DFT, represent powerful tools to try to understand this degradation at the nanoscale levels. By analysing the stability and impact of hydrogen, silicon vacancies, siliconinterstitial silicon as well as metallic impurities (such as Ni and Co) on the properties of silicon, this study proposes a theoretical approach, based on the use of hybrid functionals, to model the precursor mechanisms of LeTID. It suggests that hydrogen-bonded impurities can act as recombination centres characterising LeTID.In addition, it is shown that interstitial hydrogen-bonded nickel and cobalt can induce LeTID, providing valuable insights into the dynamics of this type of aging. The approach proposed in this work offers the possibility to improve strategies for inhibiting this type of degradation and to identify the risks of LeTID under different operating conditions.