Soutenance de Thèse de Jérôme Michallon

Anne Kaminski-Cachopo (IMEP-LAHC, Grenoble) et Vincent Consonni (LMGP, Grenoble)

 

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Résumé (Clic here to see the abstract in english)
La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d’énergies propres et renouvelables. Dans ce domaine, de nombreux travaux de recherche concernent les cellules photovoltaïques de seconde génération qui visent à réduire les coûts de fabrication en utilisant des couches minces. Afin d’absorber efficacement la lumière dans ces couches minces, des semi-conducteurs à bande d’énergie interdite directe comme le CIGS, CdTe ou l’a-Si sont souvent utilisés. La faible épaisseur de ces cellules solaires permet par exemple la réalisation de cellules flexibles qui ouvrent de nouveaux champs d’utilisation pour des applications nomades (camping-car, tentes, sacs à dos,…). Cependant, l’un des inconvénients de ces cellules est l’utilisation de matériaux peu abondants à la surface de la planète comme l’indium et le tellurium.
Il serait donc intéressant de réduire davantage la quantité de matière utilisée en gardant une bonne absorption et une collecte efficace des porteurs de charges photogénérés. Dans ce cadre, les cellules solaires à absorbeur extrêmement fin (ETA solar cells, en anglais) intégrant des nanofils de ZnO recouverts de CdTe apparaissent comme une solution prometteuse. En effet, les cellules solaires planaires de type ZnO/CdTe ont récemment montré des rendements de 12,3 % alors que les réseaux de nanofils de ZnO recouverts de CdSe ou CdS ont atteint des rendements 4,7 et 3,5 %, respectivement.
Toutefois, en dépit de la combinaison de matériaux adaptés au photovoltaïque et d’une géométrie prometteuse, les rendements rapportés pour les cellules solaires à base de nanofils de ZnO/CdTe restent faibles. Ainsi, dans le but d’améliorer les performances photovoltaïques de ce type d’hétérostructures, l’absorption de la lumière et le transport électronique ont été étudiés précisément dans cette thèse.
Nous avons, dans un premier temps, optimisé l’absorption de la lumière d’un réseau de nanofils de ZnO/CdTe en termes de dimensions géométriques à l’aide d’un logiciel de RCWA développé au laboratoire IMEP-LAHC. Il ressort de cette optimisation optique que le réseau de nanofils doit être élaboré préférentiellement sur substrat réfléchissant, arrangé en réseau carré de période d’environ 400 nm avec un diamètre et une hauteur de nanofils de l’ordre de 200 nm, et 1 à 3 µm respectivement, ainsi qu’une épaisseur de CdTe de 40 à 60 nm. L’arrangement de nanofils en réseau carré est optimum puisqu’il permet d’absorber efficacement la lumière en utilisant le minimum de matière. L’utilisation du substrat réfléchissant permet d’amplifier les résonances Fabry-Pérot (aller-retour de la lumière) dans les nanofils et ainsi l’absorption de la lumière. La période optimale de 400 nm permet d’obtenir de bonnes propriétés de diffraction pour les courtes longueurs d’ondes alors que, pour un diamètre de 200 nm, la lumière est efficacement confinée et guidée dans les nanofils pour de grandes longueurs d’ondes.
Dans un second temps, des cellules solaires ETA à base de nanofils de ZnO recouverts de CdTe ont été fabriquées à l’aide de techniques de dépôts peu coûteuses. Elles ont montré une bonne absorption de la lumière mais des rendements de conversion très faibles. Pour analyser les causes de ces faibles rendements, les mécanismes de transports de charges dans les nanofils ont été étudiés grâce à des caractérisations électriques sous obscurité associées à des modélisations numériques et analytiques. Nous avons ainsi montré que le transport des porteurs de charge est effectué par effet tunnel assisté par des pièges situés dans la bande interdite à des énergies par rapport à la bande de valence d’environ 0,4 eV. De plus, des forts facteurs d’idéalité ont été mesurés proviennent très probablement de la double hétérojonction ZnO/CdTe/CuSCN.
Finalement, des modélisations optoélectroniques ont montré que les cellules solaires ETA à base de nanofils de
ZnO recouverts de CdTe pouvaient atteindre des rendements théoriques de l’ordre de 20 %.

Abstract
The photovoltaic conversion is a very attractive process for the renewable energy supply. In this field, many works are focusing on second generation solar cells that aim to reduce the fabrication prices with the use of thin film technology. In order to efficiently absorb light in the thin films, direct band gap semi-conductors such as CIGS, CdTe, a-Si are usually used. The small thickness of these solar cells allows for instance the fabrication of flexible solar cells that open new fields for nomad applications (camping-car, tent, backpack, …). However, one of the drawbacks of such thin film solar cells is the use of non-abundant material on earth such as indium or tellurium.
It would therefore be useful to further decrease the volume of semi-conductor used while maintaining high light absorption and efficient charge carrier collection. Extremely thin absorber (ETA) solar cells based on ZnO nanowire arrays coated with CdTe are thus promising. Indeed, 12.3 % power conversion efficiency has been demonstrated for ZnO/CdTe planar solar cells while ZnO nanowire arrays coated with CdSe or CdS have shown power conversion efficiency of 4.7 % and 3.5 %, respectively.
Despite the use of efficient materials and the promising geometry for solar cells applications, the power conversion efficiency of ZnO/CdTe nanowire arrays remains low. In order to improve the power conversion efficiency of these type of heterostructures, light absorption and electrical charge transport mechanisms are thoroughly studied in this work.
We have firstly optimized the geometrical dimensions of the ZnO/CdTe nanowire arrays in order to maximize the light absorption with a RCWA software developed at the IMEP-LAHC laboratory. We have thus shown that the optimized ZnO/CdTe nanowire array is arranged in square array, grown on reflective substrate with array period of about 400 nm, nanowire diameter and height of 200 nm and 1 to 3 µm respectively, while the optimal CdTe thickness is of 40 to 60 nm. The square nanowire arrangement is optimum since the light absorption is efficient with small absorber volume. The use of the reflective substrate increases the Fabry-Perot resonances (round trip of light) in the nanowires and thus the light absorption. The optimal period of 400 nm is related to efficient diffraction properties of the nanowire arrays especially for low wavelengths. Finally, the light is efficiently confined and guided in the individual nanowires for long wavelengths with the optimal diameter of 200 nm.
Secondly, ETA solar cells based on ZnO nanowire arrays coated with CdTe were fabricated with low cost sol-gel and vapor phase techniques. The fabricated solar cells show efficient light absorption but low power conversion efficiencies. In order to analyze the reason of such low power conversion efficiencies, the charge carrier transport mechanisms in nanowires were studied with dark electrical characterizations associated with numerical and analytical models. It is shown that the charge carrier transport originates from trap assisted tunneling effect with a trap located at energy within the band gap of 0.4 eV with respect of the valence band. Furthermore, the double ZnO/CdTe/CuSCN heterojunction probably plays a role in the charge transport with large ideality factors.
Finally, opto-electronic modeling have shown that ETA solar cells based on ZnO nanowire arrays coated with CdTe can theoretically achieve power conversion efficiency of about 20 %, which shows the potentiality of this type of heterostructure.