Étude et optimisation de l'absorption optique et du transport électronique dans les cellules photovoltaïques à base de nanofils PDF Download
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Book Description
La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d'énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l'ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu'une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l'industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d'électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu'ils profitent en particulier d'une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l'absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l'absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L'intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L'objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d'élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant.
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La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d'énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l'ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu'une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l'industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d'électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu'ils profitent en particulier d'une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l'absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l'absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L'intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L'objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d'élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant.
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L'oxyde de zinc est un semiconducteur pressenti pour une large variété d'applications optoélectroniques, biologiques ou encore détecteurs de gaz. En effet, en plus d'être un matériau abondant, il possède plusieurs propriétés remarquables comme sa large bande interdite de 3,33 eV, sa grande mobilité électronique de 200 cm2/(V.s) mais également sa capacité à croitre sous plusieurs formes nanométriques par des techniques de dépôt bas coût et facilement adaptables au milieu industriel. Les nanofils de ZnO élaborés par la technique de dépôt en bain chimique seront utilisés dans cette thèse pour leur intégration dans des cellules solaires de 3ème génération. Dans ces cellules, la morphologie des nanofils ainsi que leur dopage est primordial pour obtenir des rendements intéressants. Ce dernier aspect en particulier n'a cependant pas été étudié en détails dans la littérature concernant le dépôt en bain chimique. Ce travail présente donc une façon innovante de contrôler simultanément la morphologie et le dopage des nanofils par cette technique de dépôt. Un mécanisme de croissance et de dopage a été déterminé grâce à des simulations thermodynamiques, des mesures de pH in-situ et plusieurs méthodes de caractérisation telles que la microscopie électronique à balayage et à transmission, la diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman en température et la microscopie à force atomique en mode électrique. Les nanofils de ZnO réalisés sont ensuite intégrés dans des cellules solaires à colorant pour étudier l'intérêt de l'optimisation des nanofils sur les performances des cellules solaires. Finalement, ces nanofils de ZnO combinés à une électrode en nanofils d'argent peuvent être intégrés sur substrat flexible pour réaliser une cellule à colorant plus légère et maniable et donc visant davantage d'applications.
Author: Germain Rey Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les nanostructures d'oxydes métalliques jouent un rôle essentiel dans les cellules photovoltaïques à colorants, puisque ces matériaux permettent la réalisation du contact électrique transparent en face avant et de la photoanode. L'oxyde stannique (SnO2) et l'oxyde de zinc (ZnO) ont été employés respectivement, car leurs propriétés optiques, électroniques et structurales sont particulièrement bien adaptées aux cellules solaires à colorant. Le contact électrique transparent, obtenu par pyrolyse d'aérosol, se présente sous forme d'une couche mince de SnO2 dopé par du fluor composée de grains nanométriques. Les propriétés électriques et optiques de ce composant ont été optimisées en vue de son intégration dans des cellules à colorants. Une étude approfondie du transport électronique au sein de la couche a permis de quantifier l'influence des différents mécanismes de diffusion suivant les cas considérés. La photoanode a été réalisée, directement à la surface de la couche mince de SnO2, par dépôt chimique de nanofils de ZnO à partir de précurseurs en phase vapeur. Le diamètre et la densité surfacique des nanofils sont contrôlés respectivement par les conditions de croissance et le degré d'oxydation du substrat. Les photoanodes à base de nanofils ont été intégrées dans des cellules à colorant. La limitation des performances de ces cellules est due à la faible surface développée par le ZnO qui conduit à la fixation d'une trop faible quantité de colorant à la surface de ce dernier. Afin de remédier à ce problème, des nanoparticules de ZnO ont été élaborées par bain chimique à la surface des nanofils. Les cellules solaires à base de structures composites présentent des performances supérieures à celles réalisées à partir de nanofils ou de nanoparticules. Les photoanodes composites permettent d'obtenir à la fois un transport efficace des électrons et de développer une surface importante et de ce fait, elles présentent des performances prometteuses.
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Cette thèse porte sur l'étude de la réponse optique de nanofils semiconducteurs individuels afin de déterminer les paramètres clefs contrôlant l'interaction de la lumière avec un nanofil. L'objectif est d'exalter l'absorption pour des applications photovoltaïques ou la diffusion pour le contrôle de l'émission de lumière. Dans un premier temps, des calculs de la réponse optique de nanofils individuels d'alliages Si_{1-x}Ge_{x} effectués dans le cadre de la théorie analytique de Lorenz-Mie, montrent des résonances optiques ajustables dans la gamme du spectre solaire en fonction de la composition x en germanium et du diamètre du nanofil. Ces calculs sont confrontés aux spectres de diffusion élastique obtenus par microscopie optique confocale en champ sombre sur des nanofils isolés de différents diamètres et compositions. Dans un deuxième temps, l'étude théorique de la réponse optique est élargie à des structures complexes de type cœur/gaine Ge/Si et Si/Ge pour optimiser l'efficacité d'absorption par rapport à des nanofils simples, les hétérostructures radiales étant intéressantes dans une cellule solaire à base de nanofils. Enfin, l'optimisation de la diffusion de la lumière et l'exaltation du champ électromagnétique au voisinage du nanofil sont mis en évidence par l'exaltation de la photoluminescence d'un plan de nanocristaux de Si placé dans le champ proche d'un nanofil de Si qui se comporte comme une antenne, par analogie avec les nanostructures plasmoniques. De plus, nous établissons une corrélation entre l'augmentation de l'intensité du champ électrique local induite par la présence du nanofil, calculée par simulations numériques, et l'exaltation de la photoluminescence des nanocristaux.
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Les nanofils semi-conducteurs sont devenus en quelques années un intense sujet de recherche. Ces structures uni-dimensionnelles sont considérées comme des briques élémentaires pour les nanodispositifs en raison de leurs intéressantes propriétés électroniques, optiques et thermiques. La connaissance des propriétés de transport est essentielle pour déterminer les performances de ces futurs dispositifs à base de nanofils. Ce travail de thèse a pour objectif de modéliser la mobilité des électrons dans un nanofil de silicium. Il s’articule autour de trois points : la structure de bandes, les mécanismes d’interaction et le transport des porteurs. La structure électronique est tout d’abord calculée à partir de la résolution auto-cohérente des équations de Poisson et de Schrödinger. L’approximation de la masse effective a été utilisée et comparée à la méthode des liaisons fortes afin de discuter de sa validité. Puis, les interactions avec les phonons et la rugosité de surface sont décrites à l’aide de la règle d’or de Fermi. Enfin, la vitesse moyenne des électrons et leur mobilité sont calculées à partir de simulations particulaires de type Monte-Carlo permettant de résoudre l’équation de transport de Boltzmann. Cette approche permet de comprendre l’influence du confinement des électrons et des phonons sur les propriétés de transport et d’évaluer l’effet de l’interaction électron-phonon et de la rugosité de surface sur la mobilité. L’étude de l’influence de la section et de la tension de grille montre une réduction de la mobilité avec la diminution de la section et/ou avec l’augmentation de la tension de grille quels que soient les interactions prises en compte.
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Dans ce cadre, notre travail présentera les résultats de calculs de structure électronique d'impuretés hydrogénoïdes dans des nano-fils de silicium. L'évolution de l'énergie de liaison des donneurs et accepteurs sera présentée en fonction de la taille des nano-fils. Des simulations de l'efficacité de dopage à température ambiante permettront de prédire des caractéristiques essentielles du transport électronique dans les nano-fils. Nous montrons que l'énergie de liaison croit, dû aux confinements. Le confinement quantique pour les petites tailles de nano-fils (diamètre
Author: David Kohen Publisher: Academiques ISBN: 9783838174471 Category : Languages : fr Pages : 172
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"L'objectif de ce travail porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5μm." [source : 4ème de couv.].
Author: Edouard Leonard Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 135
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La réduction de l’épaisseur de la couche absorbante dans la technologie des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) constitue un sujet d’importance en permettant de réduire l’utilisation des matériaux et le temps de dépôt. Ce travail s’intéresse plus particulièrement aux couches de CIGSe déposées par procédé de coévaporation en 3 étapes et montre que la réduction de l’épaisseur de la couche de CIGSe de 1,5 μm à 0,5 μm entraine la dégradation significative des performances des cellules solaires. Une première cause semble liée à la présence de phénomènes de recombinaison qui deviennent significatifs pour les cellules solaires à base de CIGSe submicrométrique. L’étude des mécanismes de recombinaison nous a permis de proposer des solutions permettant de réduire fortement les pertes d’origine électronique et atteindre des rendements de 12,7 % pour une épaisseur de CIGSe de 0,5 μm. La dégradation des performances est également liée à la réduction de l’épaisseur de la couche de CIGSe qui induit une réduction de la quantité de photons absorbés. Afin de compenser ce défaut de capacité d’absorption, une approche basée sur un réflecteur arrière a été développée à partir de l’introduction d’une couche de ZnO:Al entre la couche de molybdène et la couche de CIGSe. Les difficultés rencontrées pour réaliser des cellules solaires à réflecteur sans dégradation des propriétés électriques, nous ont poussés à proposer une approche basée sur la réalisation de contacts électriques ponctuels entre le CIGSe et le molybdène. Les premiers résultats soulignent la pertinence de cette approche qui permet, dans certaines conditions, de réaliser un gain optique tout en conservant des propriétés électriques satisfaisantes.
Author: David Kohen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5μm.
Author: Sadok Ben Dkhil Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la réalisation et l'étude des cellules solaires PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium. Nos études ont porté essentiellement sur l'optimisation des structures hybrides à base de PVK ou de MEH-PPV mélangé dans leur volume avec une phase de nanofils de silicium, référant aux structures PVK/NFSi et MEH-PPV/NFSi respectivement. Cette étude a montré l'étroite interdépendance entre la morphologie des nanocomposites et les propriétés photovoltaïques des cellules réalisées. Nous avons étudiés l'influence de la concentration des nanofils de silicium sur le processus de dissociation des paires photo-générées. Nous avons également étudié l'effet des traitements thermiques et nous avons mis en évidence un meilleur transfert de charge dans le cas des structures PVK/NFSi. Nous avons aussi observé l'influence bénéfique de la désoxydation ainsi que le traitement de fonctionnalisation des nanofils sur l'amélioration du transfert de charge dans le cas des structures réalisées. En conclusion, nous avons montré que les cellules PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium peuvent être optimisées grâce à la compréhension et au réglage fin du transfert de charges.
Author: Jérôme Michallon
Author: Jérôme Michallon
Author: Claire Verrier
Author: Germain Rey
Author: Houssem Kallel
Author: Emmanuelle Sarrazin
Author: Mamadou Marcel Diarra
Author: David Kohen
Author: Edouard Leonard
Author: David Kohen
Author: Sadok Ben Dkhil