Towards silicon quantum dot solar cells : comparing morphological properties and conduction phenomena in Si quantum dot single layers and multilayers

• Auteur / Autrice : Kavita Surana
• Direction : Daniel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 21/09/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique
• Jury : Président / Présidente : Gavin Conibeer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Bellet, Pierre Mur, Philippe Thony, Rose-marie Capella, Stephen Hall, Jean Hugonnard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Gourbilleau, Salvatore Lombardo, Eric Wehrli

Mots clés

Mots clés libres

Nanostructures

Silicium

Photovoltaïques

Boîtes quantiques

Nanotechnologie

Troisième génération

Nanostructures

Silicon

Photovoltaics

Quantum dots

Nanotechnology

Third generation

Résumé

Le confinement quantique dans le silicium, sous forme de boîtes quantiques de silicium de diamètre 5 nm, permet de contrôler le bandgap et donc l'émission de lumière. Cette ingénierie du bandgap des nanocristaux de silicium est utile pour les applications photovoltaïques avancées et présente l'avantage de conserver la compatibilité avec les technologies silicium existantes. Ces boîtes quantiques peuvent aider à réduire les pertes par thermalisation dans une cellule solaire homo-jonction. Ce travail se concentre sur la fabrication à grande échelle des nanocristaux de silicium dans SiO2 en utilisant le Dépôt Chimique en Phase Vapeur assisté par Plasma (PECVD), suivi d'un recuit à haute température. Des monocouches sont comparées avec des multicouches pour les propriétés morphologiques, électriques et optiques et des dispositifs avec ces différents couches sont comparés. Dans le cas d'une structure monocouche, l'épaisseur de la couche contrôle l'organisation des nanocristaux et permet de mettre en évidence l'amélioration de la conductivité électrique, avec cependant une réponse optique faible. Les multicouches montrent un bandgap du Si augmentée et controlee, avec une meilleure absorption dans la gamme bleu-vert visible, accompagnée d'une conductivité électrique faible. L'amélioration de ces propriétés optiques est un signe prometteur pour une potentielle intégration photovoltaïque.

Quantum confined silicon, in the form of silicon quantum dots of diameters 5 nm or less, has the property of bandgap control and light emission. This bandgap engineering gives silicon quantum dots applications in novel photovoltaic devices, while maintaining compatibility with existing silicon technologies. These dots can help reduce lattice thermalisation losses in a single-junction solar cell. This work focusses on the large scale fabrication of silicon quantum dots in SiO2 using Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), followed by high-temperature annealing. Thick single layers are compared with multilayers for morphological, electrical and optical properties. Devices with these layers are compared with different electrode materials. Film thickness dependent organization of dots is observed in thick single layer structures which demonstrate improved electrical conductivity, but poor optical response. Multilayer films demonstrate augmented and controlled Si bandgaps and improved absorption in the blue-green visible range, accompanied by poor electrical conductivity. The improved optical properties are a promising sign for any potential photovoltaic integration.