Cristaux photoniques pour les cellules photovoltaïques en

Cristaux photoniques pour les cellules
photovoltaïque en silicium
Christian Seassal
Institut des Nanotechnologies de Lyon – INL
Université de Lyon, Ecole Centrale de Lyon, INSA-Lyon
C. Seassal, Carry le Rouet, 30 Mars 2011
Cristaux
pour le PV
L’optiquephotoniques
pour le photovoltaïque
Limitations des cellules PV en couches
minces
AR
• Couche absorbante e~100nm-1µm
SubstratWafer
transparent
Choix de l’épaisseur : compromis
recombinaisons des porteurs/absorption
Faible absorption aux grandes
longueurs d’onde.
Rendement < 10%
C. Seassal, Carry le Rouet, 30 Mars 2011
Structures
micro-nanophotoniques
pour le PV
L’optique
pour le photovoltaïque
Nouvelles approches proposées pour augmenter le rendement
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
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Structures
micro-nanophotoniques
pour le PV
L’optique
pour le photovoltaïque
Nouvelles approches proposées pour augmenter le rendement
d’absorption et de conversion:
INL-LPICM (SPARCS), Stanford, U. Pavia
Couches minces patternées : structures périodiques, forte perturbation
Augmentation de ~50% du rendement d’absorption
Réalisation de premières cellules en cours
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L’optique
pour
photovoltaïque
Plan
delel’exposé
1.
Introduction
2.
Cristaux phoniques pour le photovoltaïque
3.
Nanophotonique pour le PV
Cristaux photoniques et modes de lumière lente
Contrôle de l’absorption par des cristaux photoniques
Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
Conclusions, perspectives
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L’optique
pour
photovoltaïque
Plan
delel’exposé
1.
Introduction
2.
Cristaux phoniques pour le photovoltaïque
3.
Nanophotonique pour le PV
Cristaux photoniques et modes de lumière lente
Contrôle de l’absorption par des cristaux photoniques
Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
Conclusions, perspectives
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L’optique Introduction
pour le photovoltaïque
• La structure de base
Guide d’onde plan (‘slab waveguide’), membrane d’épaisseur < 1µm
n~3
Lumière guidée
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L’optique Introduction
pour le photovoltaïque
• La structure de base
Cristal photonique planaire : membrane micro-nanostructurée
d~0.5µm
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L’optique Introduction
pour le photovoltaïque
• La structure de base
Cristal photonique planaire : principales propriétés
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L’optique Introduction
pour le photovoltaïque
• La structure de base
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
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Cristaux photoniques et lumière lente : guides W1
Un exemple d’utilisation :
Amplification d’effets non linéaires en optique
Corcoran et al., Nature Photonics 3, 206 (2009)
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CP adressables la surface
Lumière lente avec rayonnement
vertical
-Au-dessus de la ligne de lumière
0,7
0,6
E
E
x, y
a/λ
0,5
0,4
BIP TE
0,3
0,2
z
0,0
Si wafer
Substrat
TE
0,1
Γ
M
K
Courbe de dispersion
CP 2D
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Γ
L’optique
pour
photovoltaïque
Plan
delel’exposé
1.
Introduction
2.
Cristaux phoniques pour le photovoltaïque
3.
Nanophotonique pour le PV
Cristaux photoniques et modes de lumière lente
Contrôle de l’absorption par des cristaux photoniques
Vers de nouvelles cellules PV « photonisées » en a-Si:H
Conclusions, perspectives
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Cristaux photoniques absorbants
Lumière incidente
R
k~10-3
Maximum d’absorption à la resonance mode de lumière lente (GMR)
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Cristaux photoniques absorbants
• Comment maximiser l’absorption à la resonance?
“couplage critique”
Milieu absorbant
Cristal photonique
transparent
Abs. coef.=
Q0=ωτ0
n
cτ a
Conditions de couplage critique
τ0 =τa
or
2πn
Q0 =
aλ
Pour a-Si:H : a=1000cm-1 Q0=10-100
Compromis : Efficacité de couplage Durée de vie des photons
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Cristaux photoniques 2D absorbants
• Structures absorbtantes optimisées, comparaison CP2D/CP1D
(RCWA)
Couche non structurée
-a-Si:H, e=100nm
Les CP augmentent l’absorption
Résonances multiples
Diminution de la réflectivité
CP 2D :
55% d’absorption intégrée,
avec un éclairement AM1.5
Independence en polarisation
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CP 1D
Cristaux photoniques 2D absorbants
• Influence de l’angle d’incidence (RCWA)
-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
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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
Optimisation des paramètres géométriques (a, ff) : RCWA-CAMFR
Simulation globale opto-électronique
Fabrication des cellules PV “photonisées”
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Vers les 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
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Vers les cellules PV “photonisées”
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)
Reference cell
Jsc
(mA/cm2)
9.25
Voc
(V)
Efficiency η
(%)
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
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Vers les cellules PV “photonisées”
FABRICATION
• Contraintes
Méthode bas coût
Grandes surfaces (au-delà du cm²)
Tolérences raisonnables
• Quelle methode ?
Nanoimprint
Lithographie holographique
+ procédé de gravure
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Vers les cellules PV “photonisées”
Fabrication du CP par lithographie
holographique et RIE
Dépôt des électrodes de collecte
Sur des grandes surfaces (>1cm²)
Résine structurée
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Gravure du a-Si:H
Gravure de l’empilement ITO + a-Si:H
Vers les cellules PV “photonisées”
Structure complète : mesure de l’absorption
Grand plateau d’absorption, ~90%
Absorption amplifiée dans le rouge
ITO
Absorption
a-Si:H, e=230nm
Al
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Vers les cellules PV “photonisées”
Structure complète : réalisation de premières cellules à cristaux photoniques
CP 2D
Ag
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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
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L’optiqueCollaborateurs
pour le photovoltaïque
Nanophotonique pour le Photovoltaïque à l’INL :
Guillaume Gomard, Xianqin Meng, Emmanuel Drouard, Alain Fave,
Mustapha Lemiti
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.
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Cellules photovoltaïques
Remerciements
- introduction
http://sparcs.ec-lyon.fr
LIA Franco-Coréen « Center for Photonics and Nanostructures »
et… merci pour votre attention!
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