Nanofils de silicium

Cellules radiales à micro/nano-filsphemadic department

La troisième génération de cellules solaires met en avant l’ingénierie des nanostructures afin d'accroître les performances de cellules solaires composées de fines couches d’absorbeurs. Les jonctions radiales à base de nanofils de silicium (NFSi) représentent une approche novatrice, où l'absorption de la lumière et l'extraction de porteurs sont découplés. Dans cette thématique de recherche, le laboratoire GeePs est impliqué dans un projet national (ANR SOLARIUM « Cellules Solaires à jonction radiale à base de Nanofils de Silicium avec une technologie couche mince ») visant à développer des jonctions radiales tandem combinant des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et de silicium microcristallin (µc-Si:H), ou des alliages silicium-germanium (a-SiGe:H) en termes d’absorbeurs. Le consortium SOLARIUM est composé de quatre laboratoires (LPICM, PMC, GPM, GeePs) et d’un partenaire industriel (SOLEMS). La figure ci-dessous montre un schéma de la jonction radiale (image de gauche) et une vue par MEB du dessus de jonctions radiales développées dans SOLARIUM (image de droite).

Schéma illustrant une jonction radiale à base de nanofils avec une technologie couche mince  Vue par MEB du dessus de jonctions radiales (image reproduite avec la permission du LPICM)


Gauche : Schéma illustrant une jonction radiale à base de nanofils avec une technologie couche mince. Droite : Vue par MEB du dessus de jonctions radiales (image reproduite avec la permission du LPICM)

  D’un point de vue expérimental, le GeePs est impliqué dans la caractérisation des NFSis via un large éventail de techniques (microscopie confocale Raman, photoluminescence et microscopie AFM à pointe conductrice) et d’un point de vue théorique, est en charge de la modélisation électrique des jonctions radiales simple et tandem. À cet égard, la ci-dessous illustre une comparaison des performances solaires calculées pour des jonctions radiales et des structures planaires équivalentes. Les simulations montrent notamment une meilleure efficacité pour la géométrie à nanofils (radiale) pour les faibles épaisseurs d’absorbeur (i)-a-Si:H pour un rendement théorique maximal proche de celui atteint par une structure planaire.

2 structures a nonofil Performances (courant de court-circuit Jsc, tension de circuit ouvert Voc, facteur de forme FF et rendement photovoltaïque)

Gauche : Schéma de deux structures, l'une radiale à nanofil, l'autre planaire, dont les performances (courant de court-circuit Jsc, tension de circuit ouvert Voc, facteur de forme FF et rendement photovoltaïque) modélisées à l'aide de calculs numériques sont comparées sur la figure de droite en fonction de l'épaisseur de la couche absorbante de a-Si:H.

Contacts : José Alvarez, Sylvain Le Gall