Les cellules solaires ultra-fines permettent de réduire la consommation de matériaux tout en offrant une meilleure flexibilité et une meilleure robustesse mécanique.
Cependant, la réduction de l'épaisseur de l'absorbeur entraîne une baisse de l’absorption de la lumière, ce qui nécessite un piégeage des photons.
Le potentiel des nanostructures désordonnées a été montré récemment dans la littérature, et plus particulièrement des arrangements présentant un désordre corrélé, pour améliorer l'absorption de la lumière dans les cellules solaires.
En introduisant des corrélations spatiales au sein d’un arrangement désordonné, il devient possible de réduire la diffusion de la lumière dans le cône d’échappement, tout en favorisant son absorption.
Ce mécanisme permet ainsi d’optimiser le piégeage de la lumière au sein de la couche d'absorbeur.
Les procédés d’auto-assemblage, tels que la lithographie colloïdale, permettent de fabriquer facilement des nanostructures à désordre corrélé sur de grandes surfaces et à bas-coût.
Des travaux existant sur des particules de PMMA et de PS ont déjà montré des arrangements homogènes présentant un désordre corrélé et ont étudié comment faire varier les paramètres de l’arrangement.
Les objectifs de cette thèse portent sur la caractérisation systématique des géométries, la fabrication et le contrôle précis d'arrangements à désordre corrélé par une méthode bas coût (la lithographie colloïdale), ainsi que la caractérisation et la simulation de ces géométries intégrées dans du silicium ultra-fin.
La première partie porte sur la mise en place d’une méthodologie de caractérisation des arrangements de nanostructures à désordre corrélé réalisés expérimentalement.
Nous présentons une étude approfondie de l’impact des conditions expérimentales sur le désordre corrélé, à partir de la fonction de corrélation de paires et du facteur de structure, directement liés aux propriétés optiques de diffusion.
La deuxième partie se concentre sur le développement du procédé de lithographie colloïdale pour la fabrication de nanostructures désordonnées.
La modification de la fonctionnalisation de surface des particules, négligée dans la littérature, nous a permis d’obtenir un arrangement homogène pour des particules de 200 et 500 nm, tout en simplifiant le procédé.
En utilisant des particules de polystyrène et en contrôlant la concentration en colloïdes et en sel, nous avons ajusté la pseudo-période entre 260 et 1000 nm tout en conservant les propriétés d'hyperuniformité.
Nous avons également développé plusieurs procédés de transfert de ces motifs dans le substrat par gravure du silicium permettant d’obtenir trois profils : hémisphérique, cylindrique et pyramide inversée.
Enfin, la dernière partie présente l’intégration des nanostructures désordonnées dans des couches minces de silicium, leur caractérisation optique et la simulation de leurs propriétés.
Cette étape valide l’efficacité des structures développées.
Les nanostructures fabriquées ont été intégrées à des couches de silicium ultrafines.
La caractérisation optique a confirmé leur capacité à augmenter l’absorption des photons dans la couche d'absorbeur.
La simulation a permis d’étudier précisément les efficacités de diffraction et de diffusion des nanostructures, ainsi que les directions de propagation des photons.
En développant un procédé permettant d'ajuster la pseudo-période, nous avons optimisé les propriétés optiques pour un piégeage efficace des photons du visible au proche infrarouge, notamment pour la conversion de l’énergie solaire.
Les résultats obtenus démontrent que ces structures peuvent améliorer l'absorption des cellules solaires, tout en restant compatibles avec des procédés de fabrication à bas coût et grandes surfaces.
Cette structuration ouvre des perspectives, notamment pour le développement de cellules solaires tandem, où la gestion des photons est nécessaire pour maximiser l’absorption dans la couche de silicium située en bas de l’empilement. |
Ultra-thin solar cells reduce material consumption while offering greater flexibility and me
chanical robustness. However, reducing the absorber thickness decreases light absorption, which requires light trapping. The potential of disordered nanostructures has recently been demons trated in the literature, especially for arrangements exhibiting correlated disorder, which can improve light absorption in solar cells. By introducing spatial correlations within a disordered arrangement, it it is possible to reduce light scattering in the escape cone, while enhancing its absorption. This mechanism thus optimizes light trapping within the absorber layer.
Self-assembly processes, such as colloidal lithography, allow for the easy, large-scale and
low-cost fabrication of nanostructures with correlated disorder. Previous work on PMMA
(poly(methyl methacrylate)) and PS (polystyrene) particles has already demonstrated homogeneous arrangements exhibiting correlated disorder and has investigated how to vary the parameters of the arrangement. The objectives of this thesis focus on the systematic characterization of geometries, the fabrication and fine-tuning of correlated disorder arrangements using a low cost process (colloidal lithography), as well as the characterization and simulation of these geometries integrated into ultra-thin silicon.
The first part of this thesis focuses on developing a methodology for characterising the
arrangements of correlated disordered nanostructures produced experimentally by colloidal lithography. We present an in-depth study of the impact of experimental conditions on correlated disorder, particularly using the pair correlation function and the structure factor, which are directly related to optical scattering properties.
The second part of this thesis focuses on the development and investigation of the colloidal lithography process for the fabrication of disordered nanostructures. By modifying the surface functionalisation of the particles, an aspect often overlooked in the literature, we were able to achieve a homogeneous arrangement for large nanoparticles (200 and 500 nm), while simplifying the process. Using a simple process based on polystyrene particles and by controlling of colloid and salt concentrations, we were able to adjust the pseudo-period between 260 and 1000 nm while maintaining the hyperuniformity of the arrangement. We have also developed several processes for transferring these patterns onto the substrate by silicon etching, allowing us to obtain three different profiles : hemispherical, cylindrical and inverted pyramid.
Finally, the last section of this thesis presents the integration of disordered nanostructures
into thin silicon layers, along with their optical characterisation, and the optical simulation of their properties. This step validates the effectiveness of the structures developed. The fabricated nanostructures were integrated into ultrathin silicon layers. Optical characterisation confirmed their ability to increase photon absorption in the absorber layer. The simulation enabled a precise analysis of the diffraction and scattering efficiencies of the nanostructures, as well as the directions of photon propagation.
By developing a process to adjust the pseudo-period, we optimized the optical properties to achieve efficient photon trapping across the visible to near-infrared spectrum for a wide range of applications, particularly solar energy conversion. The results obtained demonstrate that these structures can improve the absorption of solar cells while remaining compatible with low cost, large-area manufacturing processes. This structural approach opens up new possibilities, particularly for the development of tandem solar cells, where photon management is necessary to maximize absorption in the silicon layer at the bottom of the stack. |