Élaboration et caractérisation de cellules solaires silicium avec contacts sélectifs en trioxyde de molybdène(MoO3−��)

Development and characterization of silicon based solar cells with molybdenum trioxide (MoO3-x) selective contacts

• Auteur / Autrice : Bienlo Flora Christine Zerbo
• Direction : Olivier Durand, Alain Rolland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 14/01/2025
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Judikaël Le Rouzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwann Fourmond, Jean-Paul Kleider, Marie-Estelle Gueunier, Sylvie Harel, Mircea Gabriel Modreanu, Antoine Letoublon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Erwann Fourmond, Jean-Paul Kleider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés optiques

Molybdène

Photopiles

Molybdène -- Composés

Mots clés libres

Cellules solaires

Hétérojonction de silicium

Contacts sélectifs

Trioxyde de molybdène

Simulation numérique

Solar cells

Silicon heterojunctions

Selective contacts

Molybdenum trioxide

Numerical simulation

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’élaborer des cellules solaires à hétérojonction alliant un absorbeur de silicium(Si) et des contacts sélectifs à base de trioxyde de molybdène (MoO3-x). Le MoO3-x est un oxide généralement utilisé dans la littérature comme contact sélectif de trous en raison de son grand travail de sortie. Nous montrons à travers l’étude de couches minces de MoO3−x que le matériau possède effectivement un grand gap et un dopage intrinsèque de type n dû à des lacunes d’oxygène. Une étude de recuits du MoO3−x, en particulier sous N2 et sous O2, permet d’influencer les propriétés optiques, structurales et cristallines du MoO3-x, ainsi que les densités de défauts. Cela permet d’obtenir des propriétés du MoO3−x ainsi que des alignements de bandes électroniques MoO3−x/Si plus favorables. Les dispositifs expérimentaux de type (n)MoO3−x/(n)Si montrent des résultats caractéristiques de photodétecteurs avec une sensibilité de 0.32-0.33 A/W.En revanche les dispositifs (n)MoO3-x/(p)Si où MoO3−x joue le rôle de contact sélectif d’électrons, montrent des caractéristiques de cellules solaires, avec des tensions de circuit ouvert Voc supérieures à 0.5V, pour des rendements de conversion η=5.7% (limités par une résistance série d’environ 13 Ω.cm²). A travers la simulation numérique, nous montrons qu’un contact sélectif d’électrons (n)MoO3−x/(p)Si requiert un faible travail de sortie du MoO3−x et que, pour des dispositifs (n) MoO3−x/(n)Si, la forte discontinuité de bandes de valence entre les deux matériaux bloque le passage des trous vers le MoO3−x. Nous montrons ainsi la possibilité de moduler les propriétés du MoO3−x, pour des applications dans le domaine de la photonique (photodétecteurs) et du photovoltaïque. Ce travail ouvre la voie à une utilisation plus large du MoO3−x en tant que contact sélectif versatile de trous ou d’électrons, sans nécessité de recourir à des procédés de dopage lourds.

The aim of this thesis is to develop heterojunction solar cells combining a silicon(Si) absorber and selective contacts based on molybdenum trioxide (MoO3−x). MoO3−x is an oxide generally used in the literature as a hole-selective contact due to its high work function. We show through the study of MoO3−x thin films that the material indeed possesses a large gap and intrinsic n-type doping due to oxygen vacancies. A study of MoO3−x annealing, in particular under N2 and O2, enables us to influence the optical, structural and crystalline properties of MoO3−x, as well as defect densities. This leads to more favorable MoO3−x properties and MoO3−x/Si electronic band alignments. Experimental devices of (n) MoO3−x/(n)Si type show results characteristic of photodetectors with a responsivity of 0.32-0.33 A/W. On the other hand,(n) MoO3−v/(p)Si devices, where MoO3−x acts as a selective electron contact, show solar cell characteristics, with open circuit voltages Voc above 0.5V, for conversion efficiencies η=5.7% (limited by a series resistance of about 13 Ω.cm²). Through numerical simulation, we show that (n) MoO3−x/(p)Si electron selective contact requires low MoO3−x work function, and that for (n) MoO3−x/(n)Si devices, the strong valence band discontinuity between the two materials blocks the passage of holes to MoO3−x. We thus demonstrate the possibility of modulating the properties of MoO3−x, for applications in photonics (photodetectors) and photovoltaics. This work paves the way for wider use of MoO3−x as a versatile selective contact for holes or electrons, without the need for heavy doping processes.