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
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�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:
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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:
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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
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� Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
3. Conclusions, perspectives
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
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� Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
3. Conclusions, perspectives
• La structure de base
�Guide d’onde plan (‘slab waveguide’), membrane d’épaisseur < 1µm
L’optique pour le photovoltaïqueIntroduction
n~3
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Lumière guidée
• La structure de base
�Cristal photonique planaire : membrane micro-nanostructurée
L’optique pour le photovoltaïqueIntroduction
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d~0.5µm
• La structure de base
�Cristal photonique planaire : principales propriétés
L’optique pour le photovoltaïqueIntroduction
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• La structure de base
�Cristal photonique planaire : principales propriétés
L’optique pour le photovoltaïqueIntroduction
Réflections multiples-Réflexion parfaite (bande interdite photonique)-Localisation de la lumière : modes de lumière lente
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�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
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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
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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
� Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
L’optique pour le photovoltaïquePlan de l’exposé
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� Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
3. Conclusions, perspectives
Cristaux photoniques absorbants
Lumière incidenteR
k~10-3
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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
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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
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-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
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-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
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�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
Vers les cellules PV “photonisées”
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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
Vers les cellules PV “photonisées”
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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 ?
Vers les cellules PV “photonisées”
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• 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
Vers les cellules PV “photonisées”
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Résine structurée Gravure de l’empilement ITO + a-Si:H
Structure complète : mesure de l’absorption
ITOa-Si:H, e=230nm
Abs
orpt
ion
Vers les cellules PV “photonisées”
�Grand plateau d’absorption, ~90%�Absorption amplifiée dans le rouge
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Al
Abs
orpt
ion
Structure complète : réalisation de premières cellules à cristaux photoniques
Vers les cellules PV “photonisées”
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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
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� 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 :
C. Seassal, Carry le Rouet, 30 Mars 2011
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.