Cellules solaires à base de nanofils de silicium : depuis les simples et doubles jonctions vers des triples et quadruples jonctions radiales pour l’électrolyse de l’eau

Silicon nanowire solar cells : from single and double to triple and quadruple radial junctions for unassisted water splitting

• Auteur / Autrice : Chaoqi Wang
• Direction : Erik Johnson, Martin Foldyna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pedro Alpuim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erik Johnson, Jean-Paul Kleider, Antonin Fejfar, Linwei Yu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Kleider, Antonin Fejfar

Mots clés

Mots clés libres

Jonction radiale

Nanofil de silicium

Triple et quadruple jonction cellule solaire

Cellule photoélectrochimique

Radial junction

Silicon nanowire

Triple and quadruple junction solar cell

Photoelectrochemical cell

Résumé

Les cellules photo-électrochimiques (PEC) sont des dispositifs prometteurs pour convertir l'énergie solaire en énergie chimique via l'électrolyse de l'eau pour obtenir du H2, que l’on peut stocker et transporter. Cependant, selon le calcul thermodynamique, un potentiel de 1,23 V est nécessaire pour l’électrolyse de l’eau, ce qui dépasse la tension en circuit ouvert (VOC) de la plupart des cellules solaires monojonction. En pratique, la tension nécessaire est supérieure 1.23 eV à cause des pertes dans les catalyseurs et les electrolytes, et donc des cellules multijonctions sont nécessaires pour la réaction. Les cellules solaires à base de nanofils de silicium (SiNW) à jonction radiale simple et double ont été étudiées précédemment car leur capacité de piégeage lumineux permet des couches absorbantes en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) plus fines, et donc un photo-dégradation réduite. Dans cette thèse, les cellules solaires SiNW à jonction radiale sont fabriquées, d'abord des simple et double jonctions (1RJ, 2RJ), et pour la première fois, en triple et quadruple jonction (3RJ, 4RJ). Les cellules solaires à triple jonction radiale – qui montrent une tension en circuit ouvert (VOC) supérieure à 2 V - sont fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma avec une seule étape de pompage. Nous avons étudié les performances des diodes 3RJ SiNW, et l'effet de la densité des NWs sur les performances des cellules solaires à triple jonction, et nbous avons montré qu'un VOC plus élevée est corrélé avec une densité de NWs plus faible. Néanmoins, une diminution dans la densité de NWs conduit à des caractéristiques J-V en forme de S que nous avons attibué à un problème de contact entre le couche p-a-Si:H qui se dépose à 600 °C entre les NWs et le substrat en ZnO:Al. Un optimum en efficacité en termes de densité de NWs est ainsi trouvé. Nous comparons ensuite les performances de 1RJ, 2RJ et 3RJ en tenant compte d’application visée et pas seulement de l'efficacité absolue.Dans une deuxième section, afin de savoir d'où vient le caractère aléatoire des performances des cellules solaires 3RJ, les processus de croissance des cellules solaires à base de SiNWs sont vérifiés étape par étape, ce qui inclut des changements dans le substrat ZnO:Al, l’effet du traitement du ZnO :Al par un plasma H2 et les étapes initiales de la croissance des SiNWs. Nous constatons que le changement de rugosité du ZnO: Al et la coalescence des gouttelettes de Sn en sont les principales raisons. À partir de mesures d'ellipsométrie pendant la croissance des NWs, nous montrons également une relation entre la densité finale de NWs et la position dans le temps du pic dans la courbe d'intensité du signal. Un pic plus tardif correspondant à une densité NW plus faible.Dans la dernière section nous étudions les performances de la cellule solaire 4RJ SiNW pour la séparation de l'eau. L’effet de la vitesse de balayage de la caractéristique J-V, le pH de l'électrolyte et les distances entre l'anode et la cathode sur l’efficacité de la séparation de l'eau sont étudiés. La première cellule PEC non assistée RJ SiNW est démontrée. Les cellules solaires 4RJ SiNW avec un VOC de 2,75 V sont fabriquées et nous utilisons le Ni (matériau abondant) déposé par évaporation thermique sur la cellule 4RJ comme catalyseur pour construire la photocathode pour le dégagement d'hydrogène. Avec une photoanode Pt, le fonctionnement de la cellule PEC est démontré. De plus, les performances de cette cellule PEC avec une photocathode RJ SiNW dans différents types de solution sont étudiées. La séparation de l'eau non assistée par la cellule PEC fonctionne de manière stable pendant 90 min dans l'électrolyte 1M KBi. L'efficacité PEC a une valeur initiale de 0,98% lors de l'utilisation de 0,1 M KOH comme électrolyte, et une valeur stabilisée de 0,43% lors de l'utilisation de 1 M KBi.

Photoelectrochemical (PEC) cells are promising devices to convert solar energy to chemical energy (by splitting water and obtaining hydrogen) so that it can be stored and transported. However, according to thermodynamic calculations, a 1.23 V potential is required for water splitting, which exceeds the open-circuit voltage (VOC) of most single junction solar cells. In practice, the required potential for maximum splitting efficiency can be even higher for non-optimal catalysts and electrolytes, and would require multijunction solar cells to drive the reaction. Single and double radial junction silicon nanowire (SiNW) solar cells have been previously studied as their improved light trapping ability allows for thinner hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) absorber layers, and thus decreased light-induced degradation. In this thesis, radial junction SiNW solar cells are fabricated consisting of single and double junctions (1RJ, 2RJ), and for the first time, triple and quadruple junction (3RJ, 4RJ). The 3RJ solar cells – which display a VOC of more than 2 V - are fabricated using a one-pump-down plasma-enhanced chemical vapor deposition process. We investigated the 3RJ SiNW diode performance and the effect of the NW density on the triple junction solar cell performance, showing that a higher VOC correlates with a lower NW density. An efficiency optimum in NW density is found, as an S shape in the J-V curve occurs at the lowest NW density. This occurs due to a contact issue concerning the p-a-Si:H deposited at 600 °C in-between the NWs and the ZnO:Al substrate. Using a higher density of SiNWs can improve the S shape, benefiting from the superior contact between the SiNWs themselves and the substrate, but at the tradeoff of VOC. We then compare the performance of 1RJ, 2RJ and 3RJ with an eye towards water-splitting and not just absolute efficiency.In a second section, in order to know where the randomness in the performance of 3RJ solar cells comes from, the growth processes of SiNW solar cells are checked step-by-step, which includes changes in the ZnO:Al substrate, the H2 plasma treatment, and initial growth of the SiNW. We find that the ZnO:Al roughness change and the Sn droplet coalescence are the reasons. From ellipsometry measurements during NW growth, we also show a relationship between the final NW density and the position in time of the peak in the signal intensity curve. A later peak time corresponds to lower NW density.In a final section, we investigate the performance of the 4RJ SiNW solar cell for water splitting. Different scan speeds, electrolyte pH, and distances between anode and cathode for water splitting are investigated. The first RJ SiNW unassisted PEC cell is demonstrated in the thesis. The 4RJ SiNW solar cells with a VOC of 2.75 V are fabricated, and we use the earth-abundant Ni catalyst (deposited by thermal evaporation) to construct the photocathode for hydrogen evolution. With a Pt photoanode, PEC cell operation is demonstrated. Furthermore, the performance of this PEC cell with a RJ SiNW photocathode in different kinds of solution are studied. The unassisted water splitting by PEC cell runs stably for 90 min in 1M KBi electrolyte. The PEC efficiency has an initial value of 0.98% when using 0.1 M KOH as electrolyte, and a stabilized value of 0.43% when using 1 M KBi.