SOUTENANCE DE THESE
30/06/2015
VANDAMME Nicolas 30/06/15 LPN à 13h30

 SUJET : Cellules solaires ultrafines nanostructurées en GaAs
Nanostructured ultrathin GaAs solar cells

 

RESUME 

L’amincissement des cellules solaires semi-conductrices est motivé par la réduction des coûts de production et l’augmentation du rendement de conversion des dispositifs. Mais en deçà de quelques centaines de nanomètres, il requiert de nouvelles stratégies de piégeage optique. Nous proposons d’utiliser les concepts de la nanophotonique et de la plasmonique pour absorber la lumière sur une large bande spectrale dans des couches ultrafines de GaAs. Nous concevons et fabriquons pour ce faire des structures multi-résonantes formés de réseaux de nanostructures métalliques. Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de confiner la lumière dans une couche de 25 nm de GaAs à l’aide d’une nanogrille bidimensionnelle pouvant servir de contact électrique en face avant. Nous analysons numériquement les modes résonants qui conduisent à l’absorption de 80% de la lumière incidente entre 450 nm et 850 nm. Ces résultats sont validés par la fabrication de super-absorbeurs ultrafins multi-résonants. Dans un second temps, nous appliquons une approche similaire dans le but d’obtenir des cellules photovoltaïques dix fois plus fines que les cellules GaAs records, avec des absorbeurs de 120 nm et 220 nm seulement. Un miroir arrière nanostructuré en argent, associé à des contacts ohmiques localisés, permet d’améliorer l’absorption tout en garantissant une collecte optimale des porteurs photo-générés. Nos calculs montrent que les densités de courant de court-circuit (Jsc) dans ces structures optimisées peuvent atteindre 22.4 et 26.0 mA/cm2 respectivement pour les absorbeurs de 120 nm et 220 nm. Ces performances sont obtenues grâce au couplage de la lumière incidente à des modes guidés dans les couches semi-conductrices via le réseau. En parallèle, nous avons développé un procédé de fabrication complet de ces cellules. Les mesures effectuées sur les échantillons fabriqués avec un miroir nano-imprimé montrent des Jsc records de 17.5 et 22.8 mA/cm2 pour les mêmes épaisseurs. Ces résultats ouvrent la voie à des cellules solaires simple jonction d’épaisseur inférieure à 200 nm avec des rendements supérieurs à 20%.