Cellules solaires à haute tension de fonctionnement à base de Silicium ultra mince nanostructuré

High voltage solar cells made of ultra-thinnanostructured Silicon

• Auteur / Autrice : Nelly Moulin
• Direction : Mustapha Lemiti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 07/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INL - Ingénierie et conversion de lumière (i-Lum)
• Jury : Président / Présidente : Yves Jourlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustapha Lemiti, Yves Jourlin, Frédérique Ducroquet, Esidor Ntsoenzok, Adeline Lanterne, Fabien Mandorlo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Ducroquet, Esidor Ntsoenzok

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Appareils électroniques

Photopiles

Mots clés libres

Electronique

Cellule solaire au silicium

Jonctions tunnel

Silicium Alliages

Objets connectés

Internet des objets

Cellule sollaire

Cellule photovoltaïque

Electronics

Silicon based solar cells

Tunnel junction engineering

Silicon

Connected objects

IoT - Internet of Things

Solar cell

Photovoltaic cell

Résumé

Les technologies actuelles sont marquées par une augmentation exponentielle du nombre d’objets connectés. Ceux-ci sont intégrés dans tous les domaines et s’accompagnent d’un enjeu de taille : leur approvisionnement en énergie. Dans cette thèse, on propose une nouvelle architecture de cellule solaire en Silicium pouvant s’intégrer facilement dans le design d’un objet connecté. Cette cellule est constituée de plusieurs sous-cellules mises en série par des jonctions tunnels verticales. La jonction tunnel a été étudiée analytiquement par le développement de deux nouveaux modèles sur sa caractéristique I(V). Par la suite, un procédé de fabrication a été mis en place pour la réalisation de jonctions tunnels verticales auto-alignées. Un premier démonstrateur de cellule solaire a été réalisé et a produit 200 mV de tension de sortie pour une cellule de 18 µm de large. L’effet de cascade de sous-cellules a également pu être montré sur des cellules contenant jusqu’à 10 jonctions tunnels. Par ailleurs, des options d’améliorations ont été proposées ainsi que des études sur la diminution des sources de résistance dans la cellule. Cette thèse étudie les phénomènes physiques interagissant dans une cellule à jonctions tunnels verticales de manière analytique, par simulation optique, physique et électrique ainsi que de manière expérimentale.

Current technologies see an exponential increase in the number of connected objects. These objects are integrated in every domain and come along with an important challenge: their energy supply. In this thesis, we propose a new Silicon solar cell architecture that is easy to integrate in a chip design. This solar cell is composed of several subcells connected in series by vertical tunnel junctions. We study the tunnel junction from an analytical point of view and develop two new models on the I(V) characteristic. Then, we develop a new process flow to fabricate auto-aligned vertical tunnel junctions. With this process flow, a first prototype shows 200 mV output voltage for an 18 µm wide cell. We could also demonstrate the impact of series connection on cells containing up to 10 tunnel junctions. Several optimisations solutions have been proposed and investigated, notably on the resistance sources. This thesis studies physical phenomena interacting in a vertical tunnel junction solar cell from an analytical point of view, with optical, physical and electrical simulations along with experiments.