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Cristaux photoniques pour les cellules photovoltaïque en silicium

C. Seassal, Carry le Rouet, 30 Mars 2011

Christian Seassal

Institut des Nanotechnologies de Lyon – INLUniversité de Lyon, Ecole Centrale de Lyon, INSA-Lyon

L’optique pour le photovoltaïqueCristaux photoniques pour le PV

Limitations des cellules PV en couches minces

• Couche absorbante e~100nm-1µm

�Choix de l’épaisseur : compromis

AR


�Choix de l’épaisseur : compromis recombinaisons des porteurs/absorption Faible absorption aux grandes longueurs d’onde.

�Rendement < 10%Substrat transparentWafer

L’optique pour le photovoltaïqueStructures micro-nanophotoniques pour le PV

Nouvelles approches proposées pour augmenter le rendement d’absorption et de conversion:


d’absorption et de conversion:

AMOLF, CALTECH, Toshiba, Stanford, IMT-Neuchatel�Substrat corrugué + dépôts conformes: structures périodiques, faible perturbation

Premières cellules PV réalisées, augmentation de Jsc

L’optique pour le photovoltaïqueStructures micro-nanophotoniques pour le PV

Nouvelles approches proposées pour augmenter le rendement d’absorption et de conversion:


d’absorption et de conversion:

INL-LPICM (SPARCS), Stanford, U. Pavia�Couches minces patternées : structures périodiques, forte perturbation

Augmentation de ~50% du rendement d’absorptionRéalisation de premières cellules en cours

1. Introduction� Nanophotonique pour le PV

� Cristaux photoniques et modes de lumière lente

2. Cristaux phoniques pour le photovoltaïque� Contrôle de l’absorption par des cristaux photoniques

� Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H

L’optique pour le photovoltaïquePlan de l’exposé



3. Conclusions, perspectives

• La structure de base

�Guide d’onde plan (‘slab waveguide’), membrane d’épaisseur < 1µm

L’optique pour le photovoltaïqueIntroduction

n~3


Lumière guidée


�Cristal photonique planaire : membrane micro-nanostructurée



d~0.5µm


�Cristal photonique planaire : principales propriétés




�Cristal photonique planaire : principales propriétés


Réflections multiples-Réflexion parfaite (bande interdite photonique)-Localisation de la lumière : modes de lumière lente


�modification forte et locale de l’interaction lumière-matière

Un exemple d’utilisation :Amplification d’effets non linéaires en optique

Cristaux photoniques et lumière lente : guides W1


Corcoran et al., Nature Photonics 3, 206 (2009)

CP adressables la surface

0,5

0,6

0,7

Lumière lente avec rayonnement vertical

-Au-dessus de la ligne de lumière


Courbe de dispersion

Si wafer Γ M K Γ

TE

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

a/λ

BIP TEE

z

E x, y

Si waferSi waferSubstrat

CP 2D

1. Introduction� Nanophotonique pour le PV

� Cristaux photoniques et modes de lumière lente

2. Cristaux phoniques pour le photovoltaïque� Contrôle de l’absorption par des cristaux photoniques


L’optique pour le photovoltaïquePlan de l’exposé



3. Conclusions, perspectives

Cristaux photoniques absorbants

Lumière incidenteR

k~10-3


Maximum d’absorption à la resonance � mode de lumière lente (GMR)

• Comment maximiser l’absorption à la resonance?� “couplage critique”

Cristal photonique transparent

Q0=ωτ0

Milieu absorbant

Abs. coef.=

ac

n

τConditions de couplage critique

Cristaux photoniques absorbants


aττ =0 or λπ

a

nQ

20 =

Pour a-Si:H : a=1000cm-1 � Q0=10-100

Compromis : Efficacité de couplage �� Durée de vie des photons

-a-Si:H, e=100nm

• Structures absorbtantes optimisées, comparaison CP2D/CP1D (RCWA)

Cristaux photoniques 2D absorbants

Couche non structurée CP 1D


-a-Si:H, e=100nmLes CP augmentent l’absorption�Résonances multiples�Diminution de la réflectivité

CP 2D :�55% d’absorption intégrée, avec un éclairement AM1.5�Independence en polarisation

-a-Si:H, e=100nm

• Influence de l’angle d’incidence (RCWA)

Cristaux photoniques 2D absorbants


-a-Si:H, e=100nm-a=300nm-ff=80% (air)

A incidence normale :�Modes à fuites

A incidence oblique :�+ Modes guidés résonants

Globalement : �Très tolérent/angle d’incidence

Vers les cellules PV “photonisées”

Cellule solaire en a-Si:H avec un CP 2D :

�Couche a-Si:H-structurée comme un CP 2D, -e=100nm < longueur de diffusion minoritaires

�Electrode supérieure transparente : ITO-e=50nm

�Electrode inférieure Ag (50nm) + espaceur ZnO


�Electrode inférieure Ag (50nm) + espaceur ZnO

�Optimisation des paramètres géométriques (a, ff) : RCWA-CAMFR

�Simulation globale opto-électronique

�Fabrication des cellules PV “photonisées”

Absorption optimisée :

�Modes de Bloch des CP�Couche supérieure ITO effet AR�Electrode inférieure (haute réflectivité, feedback et contrôle des modes de Bloch)

Champ Ex



Champ Ex

Simulation opto-électronique:

� RCWA : cartes de champ e.m. � cartes de taux de génération� SILVACO : taux de génération (entrée) �propriétés électriques (sortie)

�Influence de la structuration du a-Si:H�Influence des recombinaisons de surface



S (cm/s) Jsc (mA/cm2)

Voc (V)

Efficiency η(%)

Reference cell 9.25 0.98 7.93

0 11.65 1 10.14

104 11.65 0.97 9.28

105 11.64 0.88 8.12

106 11.63 0.775 6.91

107 11.56 0.67 5.71

FABRICATION

• Contraintes�Méthode bas coût�Grandes surfaces (au-delà du cm²)�Tolérences raisonnables

• Quelle methode ?



• Quelle methode ?�Nanoimprint�Lithographie holographique

+ procédé de gravure

� Fabrication du CP par lithographie holographique et RIE

� Dépôt des électrodes de collecte

�Sur des grandes surfaces (>1cm²) Gravure du a-Si:H



Résine structurée Gravure de l’empilement ITO + a-Si:H

Structure complète : mesure de l’absorption

ITOa-Si:H, e=230nm

Abs

orpt

ion


�Grand plateau d’absorption, ~90%�Absorption amplifiée dans le rouge


Al

Abs

orpt

ion

Structure complète : réalisation de premières cellules à cristaux photoniques



Ag

CP 2D

Conclusions, perspectives

�Les CP planaires� Absorption résonante, contrôle du facteur de qualité� Rôle d’antireflet structural� Contrôle de la collecte/de l’insersion des photons

�Cellules solaires à cristaux photoniques � Absorption optimisée sur tout le spectre (simulation, expérience)� Compatible avec des procédés bas coût, grandes surfaces


� Réalisation de véritables cellules PV à cristaux phoniques : en cours� Vers d’autres matériaux, d’autres architectures de cellules� Concept appliquable à d’autres dispositifs optoélectroniques

L’optique pour le photovoltaïqueCollaborateurs

Nanophotonique pour le Photovoltaïque à l’INL :Guillaume Gomard, Xianqin Meng, Emmanuel Drouard, Alain Fave, Mustapha Lemiti

Anciens collaborateurs de l’INL :


Anciens collaborateurs de l’INL :Anne Kaminski (actuellement à l’IMEP)Ounsi El Daïf (actuellement à l’IMEC)Yeonsang Park (actuellement à Samsung)

LPICM, SNU, CEA-LETI, etc.

Cellules photovoltaïques - introductionRemerciements

http://sparcs.ec-lyon.fr


LIA Franco-Coréen « Center for Photonics and Nanostructures »

et… merci pour votre attention!

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