Modélisation de solides à nanocristaux de silicium

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.The physicochemical properties of a spherical semiconductor nanocrystal, intermediate between the molecule and the solid depend on its size. Stacked or dispersed, these nanocrystals are building blocks of new functional materials with tunable properties, particularly appealing for optoelectronics. This thesis takes part in the development of these new materials. It mainly presents a methodology for the simulation of electronic transport in nanocrystal solids within the weak electronic coupling regime. It is applied to a material made of silicon nanocrystals embedded in silicon oxide and considered for photovoltaïc applications. The displacement kinetics of charge carriers is related to the tunneling transfer rate (hopping) between nanocrystals. These rates are calculated within the framework of Marcus theory and take into account the electron-phonon interactions, the effect of the bias field and the electron-electron interactions at short and long range. The calculation of electronic states (electrons and holes) in k.p theory associated with the use of Bardeen's formula provides, compared to previous works, results (mobility or current) in absolute terms. The mobility thus computed is far lower than the results of the literature and encourage to consider other materials. Furthermore, the device simulations show the significant impact of the electrodes on the current-voltage characteristics. Also, a new accelerated kinetic Monte-Carlo algorithm has been adapted in order to reproduce the disorder inherent in the manufacturing process while maintaining a reasonable simulation time. Thus the impact of the size disorder is poor at room temperature while the percolation paths shunt the contribution of other conduction paths. Characterization results compared to simulations tend to show that these paths concentrate carriers and exhibit Coulomb blockade phenomenon. Finally, the absorption cross section is calculated theoretically to obtain the generation rate under illumination. It is similar to the bulk silicon one. And a method employing a Kelvin probe microscope is described to characterize the carrier lifetime, namely the recombination rate. The results thus obtained are consistent with other experimental technics.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Injection-dependent Minority Carrier Lifetime in Epitaxial Silicon Layers by Time-resolved Photoluminescence

AbstractTime-resolved photoluminescence (TRPL) is used to evaluate the injection-dependent effective minority carrier lifetime of high resistivity epitaxial silicon layers grown on highly doped CZ-Si substrates. Effective lifetimes ranging from 10μs to 200μs are estimated for excess carrier densities between 1x1017 cm-3 and 2x1016 cm-3. Standard models are used to separate the contribution from the different recombination mechanisms. The influence of the epitaxial layer and substrate parameters on the minority carrier effective lifetime measurement is discussed

Numerical Simulation of Vertical Silicon Nanowires based Heterojunction Solar Cells

Abstract Nanowires (NWs) solar cells are expected to outperform the thin-film counterparts in terms of optical absorptance. In this theoretical study we optimize the geometry of vertical crystalline-amorphous silicon core-shell NW arrays on doped ZnO:Al (AZO)-Glass substrate by means of 3-D optical simulations in order to maximize the photon absorption. The optimized geometry is investigated by means of 3-D TCAD numerical simulation in order to calculate the ultimate efficiency and the main figures of merit by taking into account recombination losses. We show that optimized 10 μm-long crystalline – amorphous silicon core-shell (c-Si/a-Si/AZO/Glass) NWs can reach photo-generated current up to 22.94 mA/cm 2 (above 45% larger than that of the planar counterpart with the same amount of absorbing material) and conversion efficiency of 13.95%

Cellules photovoltaïques à base de réseaux de nanofils

Journée Formation:session :1 PhotovoltaiqueNational audienc

Nanowires for Solar Energy Harvesting

International audienc

Solar cells for energy harvesting

International audienc

Solar cells for energy harvesting

International audienc

Wytwarzanie i badanie warstw epitaksjalnych krzemu w zastosowaniu do ogniw słonecznych

Aujourd'hui le marché du photovoltaïque est dominé par les technologies de fabrication basées sur les matériaux semiconducteurs massifs, ce qui augmente le coût du produit final parce que pendant la fabrication des cellules photovoltaïques (PV) une partie de la matière constituant la couche active de la cellule est perdue (par découpage, etc.). Les technologies basées sur les couches minces, qui par définition utilisent une petite quantité de matière pour fabriquer la couche active, sont une alternative pour la production en masse . Les études présentées dans cette thèse s'inscrivent dans la tendance générale de diminution de prix des cellules solaires et consistent en développement d'une technologie très bon marché de dépôt des couches actives des cellules solaires PV basée sur l'épitaxie en phase liquide par la croissance des couches latérales. La croissance latérale épitaxiale est une méthode qui permet la croissance de couches latérales, qui ont une densité des défaits inférieure à celle de substrats de croissance. De ce fait on peut utiliser les substrats moins chers que les substrats habituellement utilisés pour l'épitaxie, vu que leur qualité cristalline n'est plus un paramètre crucial pour obtenir des couches épitaxiales de bonne qualité. Il en résulte une réduction des coûts de fabrication des cellules solaires. En outre, les appareils nécessaires pour faire de l'épitaxie en phase liquide sont relativement bon marché par rapport aux autres technologies de dépôt des couches minces. Le but des travaux de thèse présentés était d'analyser et de déterminer les conditions optimales du processus de cette croissance latérale, pour que les cellules solaires obtenues se caractérisent par des meilleurs paramètres physiques et électriques.Nowadays the core percentage of the solar photovoltaic market is based on the semiconductor bulk materials which makes the Wp price increase due to the material Joss during the process of production. The material losses problem does not exist in thin films technologies because they do not require being cut and the active layer is deposited directly into a substrate, which does not require sophisticated quality parameters. Photovoltaic researches are leading to one purpose - to lower the price of energy generated from the photomodules. It can be done in two ways: by decreasing costs of production or through increasing the efficiency of solar cells. The research presented in this thesis enrols in the first trend of decreasing the price of solar cells by using liquid phase epitaxy. A special aspect to this method is a possibility for producing thin lateral layers for photovoltaic applications. The Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) method enables the growth of lateral layers, which have tower density defects than a growing substrate. Subsequently, it can decrease the price of the solar cells. Moreover, apparatus for the liquid phase epitaxy is relatively cheap while compared other technologies of the thin films deposition. In chapter 1 particular stages of the experiment have been described: liquid phase epitaxy process, apparatus, lateral silicon layers growth conditions. Also solar cells production process has been characterized, as well as examination of the solar cells parameters. Chapter 2 contains of the results of the experiment and its analysis pertaining to the best LPE conditions for photovoltaic applications. In chapter 3 some summary and conclusions have been presented. The main objective of this work was to find optimal conditions for liquid phase epitaxy process in order to get ELO solar cells, which are characterized by the best electrical and physical parameters.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFrancePolandFRP

Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités

L'énergie solaire est la source d'énergie la plus prometteuse et la plus puissante parmi les énergies renouvelables. L'électricité photovoltaïque (PV) est obtenue par transformation directe de la lumière du soleil en électricité, au moyen de cellules PV. L'objectif de ce travail est de développer des cellules PV à contacts arrières interdigités. Dans le premier chapitre, nous rappelons le principe de fonctionnement et les paramètres principaux d'une cellule PV. Dans une deuxième partie, nous expliquons les spécificités des cellules PV à contacts arrières interdigités, ainsi que les avantages et les inconvénients de telles cellules. Dans le second chapitre nous étudions le fonctionnement de cellules PV à contacts arrières interdigités par la simulation numérique dans le but d'optimiser la géométrie et les profils de dopage de la cellule. Le logiciel ISE 8.5 nous permet d'effectuer la simulation numérique en deux dimensions et d'étudier l'influence des divers paramètres sur la caractéristique courant-tension sous éclairement de la cellule. Dans un premier temps, nous présentons le principe de la simulation numérique et les modèles physiques utilisés. Dans la deuxième partie de ce chapitre, en faisant varier les paramètres d'une cellule de référence, nous analysons les résultats de la simulation. Les résultats obtenus nous permettent de tirer les conclusions concernant la structure optimale de la cellule. Le troisième chapitre concerne les techniques, les méthodes et les dispositifs de caractérisation des composant photovoltaïques : I V sous obscurité et sous éclairement, réponse spectrale, LBIC, réflectivité, thermographie infrarouge, mesures de durée de vie, etc...Dans le quatrième chapitre nous aborderons l'élaboration des cellules photovoltaïques à contacts interdigités. Trois procédés technologiques sont mis en œuvre dans le but de développer une technologie simple pour l'élaboration des cellules avec un bon rendement. En particulier, nous développons le procédé auto aligné, qui nous permet de réaliser des cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités en utilisant une seule étape de lithographie. Les cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités étant très sensibles à la recombinaison en surface, le chapitre cinq est consacré à la passivation de la surface du silicium. Dans ce chapitre nous examinons diverses approches pour réduire la recombinaison en surface : oxyde de silicium, nitrure de silicium déposé par UVCVD, recuit sous hydrogène, variation de la barrière de potentiel à la surface par incorporation de charges dans SiO2 ou par création d'une zone de charge d'espace d'une structure MIS, création d'une couche mince de silicium poreux.Solar energy is the most promising and powerful energy source among renewable energies. Photovoltaic electricity is obtained by direct transformation of the sunlight into electricity by means of photovoltaic cells. The objective of this work is to develop photovoltaic cells with back interdigitated contacts. In the first chapter, we recall the principle of operation and the fundamental parameters of a photovoltaic cell. In a second part, we explain specificities of the interdigitated back-contact solar cells, as well as the advantages and the disadvantages of such cells. In the second chapter we study the operation of interdigitated back-contacts solar cells by two dimensional numerical simulation in order to optimize the geometry and doping profiles of the cell. The third chapter relates to the techniques and the methods of characterization of photovoltaic devices and components. In the fourth chapter, we describe the elaboration of interdigitated back-contact cells. Three technological processes are presented in order to develop a simple technology for cells realization. In particular, we develop the auto-aligned technological process, which enables to elaborate the cells by using only one lithography step. In the last chapter we examine various approaches to reduce the surface recombination: SiO2, silicon nitride deposited by UVCVD, hydrogen annealing, etc...VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF