Stéphane Collin
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Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Nanophotonique: un nouvel élan pour le photovoltaı̈que solaire Stéphane Collin Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN-CNRS) Marcoussis, France [email protected] Paris, 23 octobre 2012 Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 1 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Personnes impliquées LPN Clément Colin, Inès Massiot and Nicolas Vandamme (PhDs) Andrea Cattoni and Petru Ghenuche Dominique Decanini, Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Nathalie Bardou, Christophe Dupuis Aristide Lemaı̂tre, Clean-room staff Jean-Luc Pelouard IRDEP Institut d’Optique (IOGS) Jean-François Guillemoles Philippe Lalanne Negar Naghavi Christophe Sauvan Daniel Lincot ANR ULTRACIS, NATHISOL Stéphane Collin (LPN-CNRS) LPICM, ILV,... Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 2 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Spectre solaire Solar irradiance spectrum (AM1.5G, normalized) Large bande spectrale Large acceptance angulaire 1.0 0.8 diffuse light 0.6 diffuse light 0.4 direct light 0.2 0.0 0.5 1.0 Wavelength (µm) Stéphane Collin (LPN-CNRS) 1.5 2.0 Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 3 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Cellules solaires conventionnelles Jonction p-n semiconductrice : η < 32% (Shockley-Queisser) Pertes → photons non absorbés Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV 1 thermalisation des charges 2 pertes dans la jonction 3 pertes aux contacts 4 recombinaisons Paris, 23 octobre 2012 4 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Cellules solaires à hauts rendements Multi-jonctions Stéphane Collin (LPN-CNRS) Porteurs chauds Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 5 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Plan 1 Introduction 2 Optique dans les cellules solaires conventionnelles 3 Miroir nanostructuré pour les cellules solaires ultra-fines 4 Nanocavités multi-résonantes pour les cellules solaires ultra-fines 5 Conclusion Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 6 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Optique dans les cellules solaires conventionnelles Supprimer les réflexions sur la surface d’entrée Outil : optique ondulatoire anti-reflection coating (ARC) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Augmenter le chemin optique dans la cellule Outil : diffusion de la lumière path enhancement for thickness reduction Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 7 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l’épaisseur des cellules solaires → moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l’optique conventionnelle n’est plus valide à l’échelle sub-longueur d’onde. Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) Back contact Stéphane Collin (LPN-CNRS) Above Shockley-Queisser 3 III-V ~ 1-3 µm thinner GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate anti-reflection, light scattering Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 8 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l’épaisseur des cellules solaires → moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l’optique conventionnelle n’est plus valide à l’échelle sub-longueur d’onde. Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) Above Shockley-Queisser ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) 3 III-V ~ 1-3 µm thinner Back contact GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate anti-reflection, light scattering thinner 4 nanophotonics (≲ λ) 1-2 µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 8 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l’épaisseur des cellules solaires → moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l’optique conventionnelle n’est plus valide à l’échelle sub-longueur d’onde. Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) 3 III-V ~ 1-3 µm thinner Back contact GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate anti-reflection, light scattering thinner thinner 5 4 nanophotonics (≲ λ) Above Shockley-Queisser 1-2 µm Si ~ 100 nm mirror host substrate diffractive grating (~ λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 8 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l’épaisseur des cellules solaires → moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l’optique conventionnelle n’est plus valide à l’échelle sub-longueur d’onde. Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) 3 thinner Back contact Glass substrate anti-reflection, light scattering thinner 5 4 1-2 µm Si diffractive grating (~ λ) more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate and thinner 6 ~ 100 nm mirror host substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) III-V ~ 1-3 µm GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) thinner nanophotonics (≲ λ) Above Shockley-Queisser < 100 nm Ag ultrathin absorber absorbing layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 8 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l’épaisseur des cellules solaires → moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l’optique conventionnelle n’est plus valide à l’échelle sub-longueur d’onde. Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) 3 thinner Back contact Glass substrate anti-reflection, light scattering thinner 5 4 1-2 µm Si diffractive grating (~ λ) more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate and thinner 6 ~ 100 nm mirror host substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) III-V ~ 1-3 µm GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) thinner nanophotonics (≲ λ) Above Shockley-Queisser < 100 nm Ag ultrathin absorber absorbing layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 8 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Réseau de diffraction, couplage à des modes guidés Objectif : améliorer l’absorption aux grandes longueurs d’onde épaisseur ∼ 100 − 300 nm <λ mirror host substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 9 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Réseau de diffraction, couplage à des modes guidés Objectif : améliorer l’absorption aux grandes longueurs d’onde épaisseur ∼ 100 − 300 nm <λ mirror host substrate Ondes diffractées dans une couche épaisse (≥ λ) Modes guidés dans une couche absorbante ultra-fine ( λ) absorber mirror host substrate F ig. 2. In a sym m et r ic gr a t in g st r u ct u r e 6n t h -or der m odes a r e F ig. 4. Opt im ized st a ir ca se a ppr oxim a t ion t o a bla zed gr a t in g for excit ed wit h equ a l st r en gt h . Accor din g t o t h e r ecipr ocit y t h eor em a t h in Si sola r cell. t h e m in u s fir st or der 1212 im pin gin g on t h e gr a t in g excit es t h e Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 zer o-or der ou t goin g wa ve 1ou t 2 in t h e sa m e wa y t h e zer o-or der 9 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Couplage à des modes guidés dans une cellule en a-Si :H V. Ferry et al., H. A. Atwater, A. Polman a-Si :H solar cells, t → 160 nm, η = 6.6 % - Appl. Phys. Lett. 95, 183503 (2009) - Opt. Express 18, A237 (2010) → Amélioration de l’absorption dans le rouge, épaisseur → 160 nm Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 10 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Vers des cellules ultrafines : nanocavités multi-résonantes Objectif : améliorer l’absorption sur tout le spectre, épaisseur < 100 nm ≪λ Stéphane Collin (LPN-CNRS) ≪λ Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 11 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Comment absorber dans une couche ultra-fine ? Un résonateur très petit devant λ ? ? Une nanocavité plasmonique ! 200 nm ≪ λ³ ~ (λ/2n)³ metal 25 nm absorber metal Quelques paradoxes, quelques problèmes à résoudre... Le métal absorbe et réfléchit la lumière... Peut-on éviter les réflexions de la lumière (absorption totale) et absorber dans le semiconducteur, pas dans le métal ? Qui dit résonance dit faible largeur spectrale... Comment absorber sur une large gamme spectrale ? Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 12 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Comment absorber dans une couche ultra-fine ? Des nanocavités plasmoniques multi-résonantes conception d’une nanocavité plasmonique absorption totale, indépendante de l’angle d’incidence (dans le métal) → preuve de concept absorption multi-résonante (dans le semiconducteur) → preuve de concept Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 12 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Conception de nanocavités plasmoniques MIM Diminution de la taille de la cavité Nano-cavités MIM Cavité de Fabry-Perot : w ' λ 2neff plasmons confinés (couplage électrons-photons) diminution de la longueur d’onde augmentation de l’indice effectif neff (neff = 2 × nsilica ' 3 with t=20 nm) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 13 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Absorption optique parfaite dans un réseau de nano-cavités Absorption résonante parfaite : γr = γnr (condition de couplage critique) Pertes onde incidente Réseau sub-longueur d’onde, pas d’ordre diffracté pertes non-radiatives γnr (absorption) 1.0 0.8 Absorption pertes radiatives γr (réflexion spéculaire) 0.6 0.4 0.2 0.0 0.5 Stéphane Collin (LPN-CNRS) R=0 Nanophotonique pour le PV 0.6 0.7 Wavelength (µm) Paris, 23 octobre 2012 0.8 14 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Fabrication : lithographie par nano-impression douce Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 15 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Absorption parfaite et omni-directionelle dans un réseau 2D de nanocavités ´ Réseau 2D de nano-antennes optiques (absorption dans le métal) nano-cavités fabriquées par nano-impression : 200 × 200 × 20 nm résonance plasmonique, volume de la cavité ∼ λ3 /1000 absorption quasi-parfaite (> 90 %), et omni-directionnelle Nano Lett., 11, 3557 (2011) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 16 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Cellule solaire ultra-fine en GaAs : 25 nm Résultats multi-resonant absorption moyenne (GaAs) : 70% (500-800 nm) absorption dans le métal < 13% Jsc =18 mA/cm2 (AM1.5G solar spectrum) Efficacité (th) : 18% (Voc =1.11 V, FF=0.89) Cellules solaires simple-jonction record : 28.2 % (GaAs, 1 − 2 µm, AM1.5G) maximum théorique : 32 % (1 sun) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 17 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Cellule solaire ultra-fine en GaAs : 25 nm Résultats multi-resonant absorption moyenne (GaAs) : 70% (500-800 nm) absorption dans le métal < 13% Jsc =18 mA/cm2 (AM1.5G solar spectrum) Efficacité (th) : 18% (Voc =1.11 V, FF=0.89) Cellules solaires simple-jonction record : 28.2 % (GaAs, 1 − 2 µm, AM1.5G) maximum théorique : 32 % (1 sun) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 17 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Résumé La nanophotonique permet de confiner et d’absorber la lumière dans un volume nanométrique → nanocavités résonantes pour l’absorption parfaite de la lumière, multi-résonante, omni-directionnelle,... La nanophotonique : de nouvelles architectures pour des cellules solaires 10 à 50 fois plus fines. Reste un défi technologique à relever ! Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) 3 thinner Back contact Glass substrate anti-reflection, light scattering thinner 5 4 1-2 µm Si diffractive grating (~ λ) more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate and thinner 6 ~ 100 nm mirror host substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) III-V ~ 1-3 µm GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) thinner nanophotonics (≲ λ) Above Shockley-Queisser < 100 nm Ag ultrathin absorber absorbing layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 18 / 18 Introduction Optique conventionnelle Miroir nanostructuré Nanocavités multi-résonantes Conclusion Merci pour votre attention ! La nanophotonique permet de confiner et d’absorber la lumière dans un volume nanométrique → nanocavités résonantes pour l’absorption parfaite de la lumière, multi-résonante, omni-directionnelle,... La nanophotonique : de nouvelles architectures pour des cellules solaires 10 à 50 fois plus fines. Reste un défi technologique à relever ! Shockley-Queisser limit (η ≲ 33%) 2 1 Anti-reflection coating Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ 100-200 µm Si (indirect bandgap) 3 thinner Back contact Glass substrate anti-reflection, light scattering thinner 5 4 1-2 µm Si diffractive grating (~ λ) more efficient ~ 5-10 µm or Ge GaAs or Ge substrate and thinner 6 ~ 100 nm mirror host substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) III-V ~ 1-3 µm GaAs, a-Si, CdTe, CIGS (direct bandgap) thinner nanophotonics (≲ λ) Above Shockley-Queisser < 100 nm Ag ultrathin absorber absorbing layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre 2012 18 / 18
