Dissertations / Theses: 'Cellules solaires à film mince'

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Altamura, Giovanni. "Développement de cellules solaires à base de films minces CZTSSe." Phd thesis, Université de Grenoble, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01071694.

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Abstract:

L'objectif principal de cette thèse est dirigé vers l'établissement et l'explication des relations entre les conditions de synthèse des couches minces de CZTSSe, ses propriétés physiques et les performances des dispositifs photovoltaïques. Pour faire face à cette tâche la première approche était de comprendre le mécanisme de formation de la matière par rapport aux conditions de croissance du matériau. Le CZTSSe est synthétisé par un processus de sélénisation en deux étapes, où une première étape de dépôt par PVD de précurseurs est nécessaire, suivie d'une seconde étape de recuit sous atmosphère de sélénium. Différents ordres d'empilement de précurseurs ont été étudiés afin de comprendre la séquence de réactions qui, à partir de leur dépôt, conduise à la couche finale de CZTSSe. Cette étude, fait en plusieurs étapes, a nécessité de un effort important sur la caractérisation du matériau à chaque étape de la synthèse. Le résultat a montré que dans le cas du procédé en deux étapes, le matériau final est indépendant du dépôt de précurseurs. Les possibles implications bénéfiques en raison de l'incorporation de sodium dans le CZTSSe sont également décrites. Cette étude est réalisée en synthétisant la couche de CZTSSe sur différents substrats contenant diffèrent taux de sodium: de cette manière, pendant la synthèse, le sodium migre de substrats vers l'absorbeur. Après quantification du Na dans le CZTSSe juste après la croissance, le matériau est caractérise afin d'évaluer sa qualité. Ensuite il est employé dans une cellule solaire complète pour vérifier ses propriétés photovoltaïques. Les résultats ont montré que, comme pour la technologie CIGS, le sodium est bénéfique pour le CZTSSe, permettant l'augmentation de la tension à circuit ouvert et le rendement de cellule. Le molybdène est le contact arrière le plus utilisé pour les cellules solaires à base CZTSSe. Cependant, il a été suggéré récemment que le Mo n'est pas stable à l'interface avec le CZTSSe. En outre, à ma connaissance, aucune étude expérimentale n'a été effectuée à ce jour pour tester si les cellules solaires construites sur un autre contact arrière pourraient présenter de meilleures propriétés photovoltaïques. A cet effet, divers métaux (Au, W, Pd, Pt et Ni) sont déposées sur le dessus de Mo et testés comme contacts arrières dans les cellules solaire à base de CZTSSe. Il est démontré qu'il est possible synthétiser de films minces de CZTSSe de qualité quand le tungstène, l'or et le platine sont employé comme contacts arrière. Il est démontré que les contacts en W et Au permettent d'augmenter le courant photogénéré, mais aussi que le Mo reste le meilleur contact arrière en termes d'efficacité de conversion. Les effets de la variation du rapport [S]/([S]+[Se]) sur les performances des cellules solaires à base CZTSSe ont été étudiés. Cette étude a été faite par simulations des cellules solaires à base de CZTSSe, où le taux de chalcogènes dans l'absorbeur est varié, avec l'objective de trouver la composition optimale de l'absorbeur. Deux types d'approche différente ont été étudiés: la variation linéaire du rapport des chalcogènes, et une variation parabolique. Les simulations conduisent à un rendement de 16,5% (avec une tension en circuit ouvert de 0,56 V, courant de court-circuit de 37,0 mA/cm2 et un facteur de forme de 79,0%) lorsque la teneur en soufre est diminué linéairement à partir du contact arrière en direction de la couche tampon. Sur la base de ces résultats, nous proposons que l'ingénierie de bande interdite sur la base de la variation du taux [S]/([S]+[Se]) dans l'absorbeur est un outil puissant qui permet d'augmenter les performances des cellules solaires à base CZTSSe sans changer la qualité de l'absorbeur en lui-même.

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Champory, Romain. "Cellules solaires silicium ultra-minces nanostructurées : conception électro-optique et développement technologique." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEC057/document.

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Abstract:

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour les développements futurs de l’industrie photovoltaïque, au travers des réductions de coûts attendues et des applications dans les modules souples. Pour devenir compétitive, la filière des couches minces de silicium monocristallin doit se différencier des filières classiques. Elle est donc généralement basée sur l’épitaxie de couches de haute qualité puis sur le transfert de ces couches vers un support mécanique pour terminer la fabrication de la cellule et réutiliser le premier substrat de croissance. Le but de cette thèse est de trouver les associations technologiques qui permettent de réaliser des cellules photovoltaïques en couches minces et ultra-minces de silicium monocristallin à haut-rendement. Les travaux présentés s’articulent selon deux axes principaux : le développement et la maîtrise de procédés technologiques pour la fabrication de cellules solaires en couches minces et l’optimisation des architectures de cellules minces haut-rendement.Dans ce cadre de travail, les développements des techniques de fabrication ont d’abord concerné la mise au point de procédés de transfert de couches minces : une technologie basse température de soudage laser et un soudage par recuit rapide haute température. Afin d’augmenter le rendement de conversion, nous avons développé des structurations de surface utilisant les concepts de la nano-photonique pour améliorer le pouvoir absorbant des couches minces. Avec une lithographie interférentielle à 266 nm et des gravures sèches par RIE et humides par TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), nous pouvons réaliser des cristaux photoniques performants sur des couches épitaxiées de silicium. Finalement, nous avons pu concevoir des architectures optimisées de cellules solaires minces à homo-jonction de silicium et à hétéro-jonction silicium amorphe / silicium cristallin plus performantes électriquement, grâce aux outils de simulation électro-optique. Notre approche théorique nous a aussi conduits à expliciter les phénomènes électriques propres aux couches minces, et à démontrer tout le potentiel des cellules photovoltaïques minces en silicium monocristallin
Thin-film crystalline silicon solar cells are promising candidates for future developments in the photovoltaic industry, through expected costs reductions and applications in flexible modules. To be competitive, thin-film monocrystalline silicon solar cell technology must differentiate itself from conventional ones. It is generally based on the epitaxy of high-quality layers and then on the transfer of these layers onto a mechanical support to complete the manufacture of the cell and reuse the growth substrate. The aim of this thesis is to find the technological associations that make it possible to realize high-efficiency photovoltaic cells from thin and ultra-thin layers of monocrystalline silicon. The work presented focuses on two main axes: the development and control of technological processes for the fabrication of thin-film solar cells and the optimization of high-performance thin-cell architectures.In this framework, the development of manufacturing techniques began with the development of thin-film transfer processes: low temperature laser welding technology and high temperature fast annealing welding technology. In order to increase conversion efficiency, we have developed surface patterns using the nano-photonics concepts to improve the absorbency of thin films. With an interferential lithography at 266 nm and dry etching by RIE and wet etching by TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), we can produce high-performance photonic crystals on epitaxial layers of silicon. Finally, we were able to design optimized architectures of thin solar cells with homo-junction of silicon and hetero-junction amorphous silicon / crystalline silicon more efficient electrically, thanks to electro-optical simulation tools. Our theoretical approach has also led us to explain the electrical phenomena specific to thin films, and to demonstrate the full potential of thin photovoltaic cells made of monocrystalline silicon

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Luo, Yandi. "Development of new buffer layers and rapid annealing process for efficient Sb₂Se₃ thin-film solar cells." Electronic Thesis or Diss., Université de Rennes (2023-....), 2024. http://www.theses.fr/2024URENS039.

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Abstract:

Dans ce travail de thèse, le comportement de l'interface de l'hétérojonction, le processus de croissance des grains cristallins et la couche tampon des cellules solaires à base de Sb₂2Se₃ ont été étudiés. La qualité de l'absorbeur et l'alignement des bandes d'énergie sont identifiés comme des paramètres clés pour réduire la densité de défauts et pour faciliter la séparation et le transport des porteurs de charge photogénérés. Une stratégie de dopage d'Al³⁺ dans la couche tampon de CdS a été introduite dans les cellules solaires Sb₂2Se₃. L'alignement des bandes d'énergie et la qualité de l'interface p-n ont été considérablement améliorés. Une courbure de bandes type "Spike-like" a été obtenue pour la meilleure cellule solaire avec un rendement de 8,41%. Deuxièmement, un procédé de recuit thermique rapide a également été développé et optimisé afin d'améliorer la qualité de la couche absorbeur de Sb₂2Se₃ avec une densité de défauts réduite. Le rendement des cellules solaires est augmenté à 9,03%. De plus, nous avons essayé de remplacer la couche tampon CdS toxique par un film ZnSnO respectueux de l'environnement avec en plus un band-gap plus large. Un rendement intéressant de 3,44% a été obtenue pour ces cellules solaires de Sb₂2Se₃ sans Cd
In this thesis, heterojunction interface behavior, grain growth process and alternative buffer layer of Sb₂Se₃ based solar cells were investigated. The absorber quality and the band alignment are identified as key parameters for reducing defect density and for facilitating the separation and the transport of photogenerated charge carriers. A strategy of Al³⁺ doping into the CdS buffer layer was introduced in Sb₂Se₃ solar cells. The band alignment and the interface quality have been significantly improved. A “spike-like” structure was obtained for the best device with an efficiency of 8.41%. Secondly, a rapid thermal annealing process has also been developed and optimized in order to improve the quality of Sb₂Se₃ absorber film with reduced defect density. The efficiency of the Sb₂Se₃ solar cells is increased to 9.03%. In addition, we have tried to replace the toxic CdS buffer layer with an environmentally friendly ZnSnO film with moreover a wider band gap. An interesting power conversion efficiency of 3.44% was achieved for the Cd-free Sb₂Se₃ thin-film solar cells

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Sapori, Daniel. "Hybrid Perovskites : Fundamental properties and solar cell thin film technology." Thesis, Rennes, INSA, 2018. http://www.theses.fr/2018ISAR0017.

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Abstract:

Dès à présent, le monde est face à des enjeux majeurs : augmentation de la production d'énergie, réduction des impacts de la production et de la consommation d'énergie sur l'environnement. La transition vers des énergies durables a déjà commencé. Le photovoltaïque a sa place parmi les énergies renouvelables qui permettront de relever ce défi. Ce travail de thèse porte sur les pérovskites hybrides halogénées et plus particulièrement leur utilisation dans des cellules solaires. En effet très récemment, ces matériaux ont attiré l'attention de la communauté scientifique en raison de leurs propriétés optoélectroniques remarquables : bande interdite directe, forte absorption de la lumière, longueurs importantes de diffusion des porteurs, propriétés optoélectroniques accordables mais aussi une fabrication aisée et à bas coût. En quelques années, le rendement a connu une augmentation spectaculaire de 3,8 % en 2009 à 22,7 % en 2017. Ainsi, ces derniers résultats placent les cellules pérovskites comme des concurrents potentiels face aux cellules solaires à base de silicium cristallin qui représentent aujourd'hui 90 % des cellules en service. Dans la conception des cellules solaires à base de pérovskite, la couche de pérovskite est généralement intercalée entre deux couches de transporteurs de charges : les couches de transporteurs d'électron et de trou (ETM et HTM, respectivement). La qualité de ces couches est essentielle pour obtenir de hauts rendements. Dans ce travail, les propriétés optoélectroniques des pérovskites halogénées sont étudiées ainsi que plusieurs couches de transport de charge
In the future, the world has to face up to major challenges: increasing the energy production, reducing the environmental impact, moving towards sustainability in energy, etc. Renewable energies such as photovoltaics can meet these challenges. This thesis concerns hybrid halide perovskite materials and their use in solar cells. These materials have recently attracted a lot of attention owing to their direct bandgaps, strong light absorption, large carrier diffusion lengths, tunable optoelectronic properties, and their facile and low-cost fabrication In few years, their energy conversion efficiency has rapidly increased from 3.8 % in 2009 to 22.7 % in 2017, hence approaching efficiencies of crystalline silicon based-devices which represent 90% of commercial photovoltaic cells. In the design of perovskite cells, the perovskite photoabsorber is generally sandwiched by two interfacial layers that yield selective charge collections: the hole and electron transport layers (HTM and ETM). Good quality and adapted interfacial layers are required to obtained high efficiency cells. In this thesis, both the perovskite material and the interfacial layers are investigated

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Cheikh, Aimane. "Etudes des hétérostructures à bases d'oxydes complexes pour de potentielles utilisations en cellules solaires." Thesis, Normandie, 2020. http://www.theses.fr/2020NORMC208.

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Abstract:

Grace à leurs propriétés fonctionnelles prometteuses, l’étude des oxydes ternaires à base de vanadium déposés sous forme de couche mince ont suscité beaucoup d’intérêt et ont fait l’objet d’une activité intense en recherche dans le domaine optoélectronique et photovoltaïque.Durant ce travail de thèse, on a étudié dans un premier temps la possibilité d’utiliser les métaux fortement corrélés tel que SrVO3 comme étant un oxyde transparent et conducteur (TCO). Pour cela, on a étudié l’évolution des propriétés optoélectroniques en fonction des conditions de croissance du SrVO3 déposé sous forme de couche mince. Dans un deuxième temps, notre étude s’est focalisée sur la réalisation d’une ingénierie de cellule solaire basée sur les hétérostructures tout oxyde de différentes bandes interdites. Pour cela, par un choix judicieux de la largeur de bande interdite de certaines pérovskites, nous avons synthétisé le LaVO3, dont l’absorption est optimale dans le spectre solaire, sur un substrat SrTiO3 sous différentes conditions de croissance. Du point de vue optique, l’étude des hétérostructures LaVO3/SrTiO3 déposé à basse pression d’oxygène a mis en évidence que le film LaVO3 possède une bande interdite de 1.18 eV se situant dans la plage optimale pour le photovoltaïque. Du point de vue électrique, l’interface polaire LaVO3/ SrTiO3 génère une couche d’interface conductrice qui servira de contact électrique pour les cellules solaires. Un autre intérêt du LaVO3 est sa structure cristalline commune à un grand nombre d’oxydes possédant des différentes valeurs des bandes interdites. Pour réaliser notre système, nous avons choisi en particulier la pérovskite LaFeO3 ayant une bande interdite de 2.2 eV, supérieure à celle du LaVO3 afin d’améliorer l’absorption optique à haute énergie. Une fois les propriétés optoélectroniques ont été établies, nous avons synthétisé l’empilement LFO/LVO sur un substrat SrTiO3 à basse pression d’oxygène. L’évolution des propriétés de notre système en fonction de l’épaisseur de LaFeO3 déposé est également étudié, mais jusqu’à présent aucune propriété de photoconductivité n’a été obtenue
Due to their promising functional properties, ternary oxide thin films based on Vanadium have gained much research interest in photovoltaic technologies.During this work, we first studied the possibility to use the strongly correlated metal SrVO3 as a transparent conducting oxide (TCO). For this reason, we have studied the optoelectronic properties of SrVO3 under different growth conditions. Second, our study was focused on making band gap-graded design solar cells based on oxide heterostructures. LaVO3 is particularly interesting due to its optical band gap localized in the optimal range for harvesting solar light. Accordingly, the LaVO3 was synthetized on SrTiO3 substrate under different growth conditions. Optical measurements reveal that LaVO3/SrTiO3 heterostructure grown at low oxygen pressure possess a band gap of 1.18 eV in the ideal energy range for photovoltaic. Electrical properties show that the interface LaVO3/ SrTiO3 is conducting, serving as an electrical contact for solar cells. Another interest of LaVO3 is its crystalline structure offering the possibility to combine it with other structurally compatible transition metal oxides with larger band gap such as LaFeO3 (2.2 eV) in order to enhance the optical absorption at high energy. Once the optoelectronic properties have been established, the LFO/LVO heterostructure was synthetized on SrTiO3 substrate at low oxygen pressure. The physical properties of our system have been also investigated for different LaFeO3 thickness but, to date, no photoconductivity was obtained

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Alem-Boudjemline, Salima. "REALISATION ET CARACTERISATION DE CELLULES PHOTOVOLTAIQUES PLASTIQUES." Phd thesis, Université d'Angers, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011294.

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Abstract:

En raison de leur mise en forme facile et de leur faible coût, les matériaux organiques font l'objet de nombreuses études en vue d'applications industrielles. C'est le cas des dispositifs photovoltaïques plastiques. Le rendement de conversion et la stabilité de ces systèmes sont les points les plus importants à améliorer.
La première partie de notre travail porte sur la réalisation et la caractérisation d'une cellule photovoltaïque à base du composite poly(2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene (MEH-PPV) et [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM). L'insertion des couches interfaciales, le traitement de surface et l'amélioration de la morphologie de la couche active nous ont permis d'accroître significativement les performances photovoltaïques de la structure par rapport aux performances antérieures.
Les deuxième et troisième parties portent, respectivement, sur l'évaluation de nouveaux matériaux organiques dans les cellules à base de composite et sur le développement d'une nouvelle structure de cellules photovoltaïques améliorant leur stabilité.

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Chancerel, François. "Croissance, report, soulèvement (epitaxial lift-off) et fabrication de cellules solaires InGaAs permettant le recyclage du substrat d'InP pour le photovoltaïque concentré (CPV)." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEC031/document.

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Abstract:

Cette thèse de doctorat traite de la mise en œuvre du procédé de soulèvement épitaxial (ou ELO pour epitaxial lift-off) à partir d'un substrat d'InP permettant le détachement des couches actives et le recyclage du substrat afin de rendre économiquement compétitive la fabrication de cellules solaires multi-jonctions pour le photovoltaïque concentré. Ce procédé, qui consiste à sous-graver sélectivement une couche sacrificielle comprise entre le substrat et les couches actives, est bien connu et maîtrisé sur un substrat de GaAs avec l'utilisation d'une couche sacrificielle d'AlAs d'épaisseur voisine de 5 nm, ce qui n'est pas possible sur un substrat d'InP en raison du fort désaccord de maille cristalline existant entre l'AlAs et l'InP. Pour l'adapter à un substrat d'InP, le développement d'une couche sacrificielle spécifique basée sur un super-réseau AlAs/InAlAs a été réalisé, ce qui permet de contourner les problématiques liées au désaccord de maille et à la croissance de matériaux contraints. Après optimisation des conditions de croissance de ce super-réseau, les épaisseurs atteintes et donc les vitesses de sous-gravure obtenues en utilisant ce type de couche sacrificielle ont satisfait aux exigences du procédé ELO. Ensuite, le report et le soulèvement de structures actives de cellules solaires InGaAs en couches minces cristallines ont été développés. Les cellules solaires ainsi fabriquées ont montré des performances semblables à celles réalisées par épitaxie standard sur un substrat d'InP, voire meilleures sous concentration en raison d'effets de confinement optique. Finalement, le recyclage du substrat d'InP réalisé avec un procédé utilisant seulement deux étapes de nettoyage par voies chimiques humides, a permis de produire des surfaces d'InP de qualité suffisante pour réaliser une reprise d'épitaxie satisfaisante
This PhD thesis deals with the implementation of the epitaxial lift-off (ELO) process from an InP substrate allowing the detachment of active layers and the substrate recycling. The final target is to realize multi-junction solar cells in an economically competitive way for concentrated photovoltaic. The ELO process consists in the under-etching of a sacrificial layer inserted between the substrate and the active layers. It is well known and mastered on a GaAs substrate with the use of a sacrificial layer of AlAs with a thickness of about 5 nm. Such a layer is not usable on an InP substrate due to the high lattice mismatch between AlAs and InP. In order to adapt the ELO process to an InP substrate, this work aimed to develop a specific sacrificial layer based on an AlAs/InAlAs superlattice. Thus, it is possible to circumvent problems related to the lattice mismatch and to the strained layer growth. After optimization of growth conditions of this superlattice, using this type of sacrificial layer, we achieve a sufficient thickness and therefore a sufficient under-etching rate in order to meet the requirements of the ELO process. Then, the transfer and lift-off of thin crystalline film based InGaAs solar cells have been developed. This kind of solar cells showed performances similar to those obtained with a standard epitaxial growth on an InP substrate, or even better under concentration due to optical confinement effects. Finally, the recycling of the InP substrate carried out by a process using only two wet chemical cleaning steps made it possible to produce InP surfaces of sufficient quality to achieve a promising second epitaxial growth

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Posada, Parra Jorge Ivan. "Optimisation d'un procédé hybride de co-pulvérisation/évaporation pour l'obtention de cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066057/document.

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Abstract:

Les cellules solaires en couches minces à base d'absorbeurs de type Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) représentent une technologie d'avenir à haut rendement de conversion d'énergie. Plusieurs techniques sont utilisées pour synthétiser le CIGS. La pulvérisation cathodique réactive est une technique de dépôt adaptée aux grandes surfaces offrant la possibilité d'effectuer un scale-up industriel. L'objectif de ce travail est de développer et d'optimiser un procédé alternatif hybride de co-pulvérisation/évaporation pour la synthèse du composé CIGS. Pour répondre à cet objectif, différentes études ont été réalisées afin d'assurer le contrôle des différents paramètres de dépôt. Dans un premier temps, la phase plasma a été étudiée à l'aide de la spectroscopie d'émission optique pour pouvoir établir des corrélations entre la composition des couches déposées et les espèces présentes dans le plasma. Ceci a permis d'établir des courbes d'étalonnage et de suivi in-situ de la composition et l'homogénéité de l'épaisseur des couches déposées, ainsi que de déterminer l'existence de différentes modes de pulvérisation, reliés à la température appliquée pour l'évaporation du sélénium. Dans un deuxième temps, différents absorbeurs de CIGS ont été synthétisés à partir du procédé hybride développé. Ces absorbeurs ont été déposés en une et en trois étapes pour analyser l'influence des gradients de composition sur leurs propriétés morphologiques, structurales et optoélectroniques. Un absorbeur de CIGS avec un rendement de conversion maximum de 10,4 % a été fabriqué à partir d'une séquence de dépôt en une étape. Un rendement de 9,4 % a été obtenu avec une séquence dépôt en trois étapes
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells are a very promising technology for high efficiency energy conversion. Several techniques are used to synthesize CIGS absorbers. Magnetron reactive sputtering is an attractive deposition technique for depositing CIGS absorbers because of its potential for providing uniform coatings over large areas, thus offering the possibility for more competitive industrial scale-up. The objective of this work is to develop and optimize a hybrid alternative co-sputtering/evaporation CIGS deposition process. To meet this goal, various studies have been conducted to ensure control of the various deposition parameters. Initially, plasma was studied with Optical Emission Spectroscopy in order to establish correlations between plasma species and thin film composition, structure and morphology. This has allowed to establish in-situ calibration curves for monitoring the deposited layers composition and their homogeneity, and to determine the existence of different sputtering modes, linked to the selenium evaporation temperature. Then, different CIGS absorbers were synthesized with the stabilized hybrid process. These absorbers were deposited in one and three stages to analyze the influence of composition gradients on their morphological, structural and optoelectronic properties. A CIGS absorber giving a maximum conversion efficiency of 10.4 % was fabricated with a one step process. A 9.3 % efficiency solar cell was obtained with a three-stage deposition process

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Posada, Parra Jorge Ivan. "Optimisation d'un procédé hybride de co-pulvérisation/évaporation pour l'obtention de cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066057.

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Abstract:

Les cellules solaires en couches minces à base d'absorbeurs de type Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) représentent une technologie d'avenir à haut rendement de conversion d'énergie. Plusieurs techniques sont utilisées pour synthétiser le CIGS. La pulvérisation cathodique réactive est une technique de dépôt adaptée aux grandes surfaces offrant la possibilité d'effectuer un scale-up industriel. L'objectif de ce travail est de développer et d'optimiser un procédé alternatif hybride de co-pulvérisation/évaporation pour la synthèse du composé CIGS. Pour répondre à cet objectif, différentes études ont été réalisées afin d'assurer le contrôle des différents paramètres de dépôt. Dans un premier temps, la phase plasma a été étudiée à l'aide de la spectroscopie d'émission optique pour pouvoir établir des corrélations entre la composition des couches déposées et les espèces présentes dans le plasma. Ceci a permis d'établir des courbes d'étalonnage et de suivi in-situ de la composition et l'homogénéité de l'épaisseur des couches déposées, ainsi que de déterminer l'existence de différentes modes de pulvérisation, reliés à la température appliquée pour l'évaporation du sélénium. Dans un deuxième temps, différents absorbeurs de CIGS ont été synthétisés à partir du procédé hybride développé. Ces absorbeurs ont été déposés en une et en trois étapes pour analyser l'influence des gradients de composition sur leurs propriétés morphologiques, structurales et optoélectroniques. Un absorbeur de CIGS avec un rendement de conversion maximum de 10,4 % a été fabriqué à partir d'une séquence de dépôt en une étape. Un rendement de 9,4 % a été obtenu avec une séquence dépôt en trois étapes
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells are a very promising technology for high efficiency energy conversion. Several techniques are used to synthesize CIGS absorbers. Magnetron reactive sputtering is an attractive deposition technique for depositing CIGS absorbers because of its potential for providing uniform coatings over large areas, thus offering the possibility for more competitive industrial scale-up. The objective of this work is to develop and optimize a hybrid alternative co-sputtering/evaporation CIGS deposition process. To meet this goal, various studies have been conducted to ensure control of the various deposition parameters. Initially, plasma was studied with Optical Emission Spectroscopy in order to establish correlations between plasma species and thin film composition, structure and morphology. This has allowed to establish in-situ calibration curves for monitoring the deposited layers composition and their homogeneity, and to determine the existence of different sputtering modes, linked to the selenium evaporation temperature. Then, different CIGS absorbers were synthesized with the stabilized hybrid process. These absorbers were deposited in one and three stages to analyze the influence of composition gradients on their morphological, structural and optoelectronic properties. A CIGS absorber giving a maximum conversion efficiency of 10.4 % was fabricated with a one step process. A 9.3 % efficiency solar cell was obtained with a three-stage deposition process

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Kintz, Harold. "Réalisation de couches minces nanocomposites par un procédé original couplant la pyrolyse laser et la pulvérisation magnétron : application aux cellules solaires tout silicium de troisième génération." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00958453.

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Abstract:

Ce travail porte sur la synthèse de couches minces de nanoparticules de silicium (np-Si) encapsulées dans une matrice diélectrique en vue d'une application en tant que couche active pour les cellules solaires de 3ème génération. La technique utilisée pour la synthèse des np-Si est la pyrolyse laser. Cette technique nous a permis d'obtenir des np-Si cristallines d'environ 5 nm de diamètre avec une distribution en taille étroite. Par ailleurs, l'utilisation de gaz précurseurs spécifiques (PH₃, B₂H₆) dans le mélange réactionnel a rendu possible le dopage (type n ou p) des np-Si. Le dopage effectif des np-Si a pu être mis en évidence par des mesures de résonance paramagnétique électronique (RPE). Des films de np-Si seules ont pu être déposés in-situ via la création d'un jet supersonique de gaz contenant les particules de silicium. Les caractérisations optoélectroniques de ces couches ont montré un effet de confinement quantique fort au sein de films, garantissant ainsi un élargissement important du gap du silicium de 1.12 eV (pour le silicium massif) à environ 2 eV (pour les np-Si) ; prérequis indispensable pour réaliser une cellule tandem tout silicium. Des mesures de résistivité sur ces films ont permis de confirmer l'activité des dopants au sein des np-Si. Pour les np-Si dopées au phosphore une diminution de la résistivité de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport au np-Si intrinsèques a été observée. Le couplage entre la pyrolyse laser et la pulvérisation magnétron via notre dispositif original de synthèse s'est révélé parfaitement adapté à l'élaboration de couches minces nanocomposites np-Si/SiO₂. Un comportement de type diode a pu être mis en évidence sur une jonction constituée par la superposition d'une couche nanocomposites (type n) sur un substrat de silicium massif (type p). Au-delà de la simple application au photovoltaïque, le procédé couplé, largement éprouvé et optimisé au cours de ce travail de thèse, pourrait permettre la réalisation d'une multitude de couches nanocomposites différentes, puisque la nature chimique des particules et de la matrice peuvent être choisies indépendamment.

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Vauche, Laura. "Process development and scale-up for low-cost high-efficiency kesterite thin film photovoltaics." Thesis, Aix-Marseille, 2015. http://www.theses.fr/2015AIXM4355/document.

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Abstract:

Dans un contexte général d’augmentation de la demande énergétique et de préoccupation croissante face au réchauffement climatique et à la limitation des ressources naturelles, l’utilisation d’énergie solaire devrait augmenter. L’avenir des différentes technologies photovoltaïques dépend évidemment de leur rendement de conversion photovoltaïque et de leur coût mais aussi de la disponibilité des ressources. Les couches minces de kesterite, Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) ou Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), composées d’éléments abondants dans la croûte terrestre se positionnent en candidat prometteur pour la conversion d’énergie solaire à grande échelle.Dans cette thèse, l’électro-dépôt, un procédé compatible avec des exigences industrielles de production, est utilisé pour déposer un précurseur de cuivre, étain et zinc sur des substrats de 15 × 15 cm2, de composition et épaissseur contrôlables. Ce précurseur est ensuite converti en semiconducteur par traitement thermique en présence de soufre ou de sélénium. Les couches ainsi formées de Cu-Zn-Sn-S ou Cu-Zn-Sn-Se, doivent être uniformes et présenter les propriétés appropriées (phases, composition, morphologie) pour la fabrication de cellules solaires à haut rendement. Le procédé de fabrication de la cellule solaire complète, notamment les étapes qui interviennent dans la formation de la jonction p-n (décapage chimique et dépôt de couche tampon) est également optimisé pour maximiser les rendements. A l’issue de ces optimisations, un rendement de 9.1% est obtenu pour une cellule solaire CZTSe, un nouveau record pour les cellules solaires à base de kesterite fabriquées par électro-dépôt
Facing growing energy demand and increasing concerns about climate change and finite energy sources, solar energy use should increase. The future of the different photovoltaic technologies obviously depends on their power conversion efficiency and cost (summarized by the ratio cost per watt), but also on the elements availability. Thin films of earth-abundant kesterite, Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) or Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), which can be manufactured with low-cost processes, are promising candidates for solar energy conversion at large scale.In this thesis, a copper tin and zinc precursor of controllable composition and thickness is electrodeposited on 15 × 15 cm2 substrates. Electrodeposition is a process compatible with high throughput low-cost and safety industry requirements. The precursor is converted into a semiconductor by thermal treatments in presence of sulfur or selenium. The resulting Cu-Zn-Sn-S or Cu-Zn-Sn-Se layers should be uniform and have adequate properties (phases, composition and morphology) to produce high efficient solar cells. Full device processing, including the pn junction formation steps (wet chemical etching and buffer layer deposition) is also investigated in order to maximize device efficiency. The best CZTSe solar cell exhibits a 9.1% powerconversion efficiency, setting a new record for kesterite solar cells produced by electrodeposition

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Borniol, Mervyn de. "Photosensibilisation d'oxydes semi-conducteurs par des dérivés organostanniques du pérylène -3,4-dicarboximideApplication à la conversion photovoltaïque." Bordeaux 1, 2006. http://www.theses.fr/2006BOR13310.

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Abstract:

Le but de ce travail a été la réalisation de cellules photoélectrochimiques de type "Grätzel" à base de dioxyde d'étain photosensibilisé par des dérivés organostanniques du pérylène-3,4-decarboximide, réalisant la conversion photovoltaïque. Ces chromophores ont été obtenus par une synthèse convergente en plusieurs étapes, l'étape clef consistant en un couplage de type Stille entre un dérivé du pérylène et un oméga-iodoalkyl- ou 4-bromophenyl-tricyclohexylétain. Les études physico-chimiques réalisées en solution sur ces nouveaux colorants ont montré qu'ils possédaint les propriétés photochimiques et électrochimiques requises pour photosensibiliser des oxdes semi-conducteurs. Par ailleurs, des films nanoporeux et nanocristallins de dioxyde d'étain d'épaisseur contrôlée ont été élaborés sur substrats conducteurs par différentes techniques à partir de suspension colloïdales de nanaoparticules de SnO2, une étude approfondie de la texture, de la structure et de la morphologie de ces couches ayant permis de sélectionner celles les plus appropriées pour la conversion photovoltaïque. Ces dernières ont ensuite été modifiées chimiquement en surface par les chromophores synthétisés puis l'aptitude des cellules ainsi réalisées à convertir la lumière en électricité a été évaluée. Le meilleur système a permis d'atteindre des rendements de conversion énergétique de l'ordre de 0,3 %.

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Risch, Lisa Carina Mareike. "Characterization of Cu2ZnSnSe4 kesterite thin film solar cells : understanding of the fundamental material properties and quality control for process optimization and monitoring." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4376.

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Abstract:

Cette thèse porte sur la caractérisation des cellules solaires à base de couches minces de kesterite Cu2ZnSnSe4 (CZTSe). Au cours des dernières années, une attention croissante a été portée aux cellules solaires kesterite. En effet, Cu, Sn et Zn étant abondants dans la croûte terrestre, les technologies photovoltaïques à base de couches minces absorbantes de kesterite apparaissent comme un candidat prometteur pour la production à grande échelle et à faible coût de cellules solaires. Cependant, les cellules solaires kesterite souffrent d'un sévère déficit de la tension en circuit ouvert (Voc) par rapport aux autres technologies PV, résultant en un écart de performance significatif avec la technologie cousine à base de chalcopyrite (CIGS). Les meilleurs rendements reportés pour la technologie à base de couches minces CIGS sont 22,6%, alors que les cellules solaires kesterite restent en dessous de 13% de rendement. Comprendre les propriétés fondamentales des matériaux et cellules solaires kesterite et résoudre les difficultés liées à leur fabrication sont des points cruciaux pour améliorer les performances de cette technologie.Dans le cadre de cette thèse, différents mécanismes responsables des faibles valeurs de Voc des cellules kesterite ont été identifiés et caractérisés. Deux facteurs principaux y contribuent de manière significative: la recombinaison non radiative et le bandtailing. Ces phénomènes sont liés à la présence de phases secondaires et de défauts impactant l'hétérojonction p-n. Par conséquent, cette thèse se concentre sur la détection des phases secondaires et des défauts et le rôle de la couche tampon de type n
The present thesis deals with the characterization of Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) kesterite thin film solar cells. Over the last years, kesterite based devices have attracted growing attention. As Cu, Sn and Zn are earth-abundant metals, the kesterite compounds are promising candidates as absorber materials for the mass production of low-cost photovoltaic devices. However, kesterite solar cells suffer from a severe open circuit voltage (Voc) deficit in comparison with other PV technologies, resulting in a significant performance gap between thin film kesterite and chalcopyrite (CIGS) based devices. Best reported efficiencies for the related CIGS thin film technology are 22.6% at cell size and 17.9% for a commercial module – very close to the performance of Si solar cells – while kesterite solar cells remain below 13% power conversion efficiency. Understanding the fundamental properties of kesterite materials and devices and solving challenges associated with their fabrication are the key to improve device performances.In the framework of this thesis, different loss mechanisms related to the low Voc values of kesterite solar cells have been identified and characterized. Two major factors are thereby observed to be responsible for the significant Voc deficit: non-radiative recombination and band tailing. These aspects are related to the presence of secondary phases and defects that have a significant impact on the pn-heterojunction. Therefore, this thesis focuses on the detection of secondary phases and defects and the role of the n-type buffer layer

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El, Idrissi Sidi El Bachir. "Elaboration et caracterisation de materiaux destines a des applications solaires : cu::(x)o et zn::(3)p::(2)." Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 1987. http://www.theses.fr/1987STR13010.

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Abstract:

Les oxydes de cuivre cuxo formes a la surface d'une lame de cuivre sont etudies afin de preciser les mecanismes physiques de la selectivite spectrale et le role joue par chacun des deux oxydes cu2o et cuo. Influence des conditions de preparation et des methodes d'oxydation. Le phosphure de zinc (zn3p2) apparait comme un candidat potentiel pour la realisation de cellules solaires. Elaboration de couches minces a l'etat amorphe ou cristallise. Caracterisation des couches (structure cristalline, etat de surface, composition). Etude des proprietes optiques et electriques

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Braunger, Maria Luisa. "Fabrication et caractérisations électriques de films minces pour les cellules solaires organiques." Thesis, Pau, 2015. http://www.theses.fr/2015PAUU3009/document.

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Abstract:

Dans le domaine du photovoltaïque organique, il y a un effort continu pour améliorer l'efficacité des dispositifs. Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire d'évaluer les caractéristiques qui influencent leur performance. Bien que les films minces de polymères conjugués (dérivés de polythiophène et polymères à faible bande interdite) aient été largementétudiés pour des applications dans des cellules photovoltaïques, peu d'études concernent l'influence de la nanostructuration des films dans de tels dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif général de ce travail était d'analyser l'influence de la technique de dépôt de couches minces de dérivés de polythiophène dans des dispositifs photovoltaïques organiques. Le technique de dépôt de Langmuir-Schaefer (LS) a été comparée à celle de spin-coating, plus fréquente. Les films de polythiophène ont été caractérisés par des mesures de transport électrique (courant-tension, photoconductivité, voltampérométrie cyclique et spectroscopied'impédance), spectroscopies optique (UV-visible et fluorescence) et des techniquesmorphologiques (à force atomique et techniques de microscopie à angle de Brewster, etprofilométrie). A partir des mesures électriques à courant continu, il peut être observé que lesfilms LS sont plus conducteurs que ceux obtenus par spin-coating. D’un point de vuemorphologique, il s’avère que la technique de dépôt influence la performance du dispositifphotovoltaïque, en raison de l'organisation et de la nanostructuration fournies par la techniquede la LS. Une étude préliminaire a également été réalisée sur des films de polymères à faiblebande interdite à base de cyclopentadithiophène, réalisés par la technique de Langmuir-Blodgett
In the area of organic photovoltaics, there is a continuous effort to improve the efficiency of the devices. In order to reach this goal, it is necessary to evaluate the characteristics that influence their performance. Although thin films of conjugated polymers (polythiophene derivatives and low bandgap polymers) have been widely investigated for applications in photovoltaic devices, few studies relate the influence of the nanostructuring of the films in such devices. In this context, the general objective of this work was to analyze the influence of deposition technique of thin films of polythiophene derivatives in organic photovoltaic devices. The Langmuir-Schaefer (LS) technique was compared to the more common spin-coating. The polythiophene films were characterized by electrical transport measurements (current vs. voltage, photoconductivity, cyclic voltammetry and impedance spectroscopy), optical spectroscopy (UV-visible and fluorescence) and morphologicaltechniques (atomic force and Brewster angle microscopies, and perfilometry). From the direct current electrical measurements, it could be observed that the LS films are more conducting than the spin-coating ones. From the morphologic point of view, the deposition technique revealed itself to influence on the photovoltaic device’s performance, due to the organization and nanostructuring provided by the LS technique. Preliminary studies were also undertaken on thin films made of low bandgap polymers based on cyclopentadithiophene by using the Langmuir-Blodgett technique
Na área de fotovoltaicos orgânicos há um esforço contínuo no aumento da eficiência dos dispositivos. Para alcançar esse objetivo, é necessária a avaliação das características que influenciam seu desempenho. Embora filmes finos de polímeros conjugados (derivados do politiofeno e polímeros de baixo bandgap) tenham sido amplamente estudados para aplicação em dispositivos fotovoltaicos, são encontrados poucos estudos investigando a influência da nanoestruturação dos filmes nestes dispositivos. Dentro deste contexto, o objetivo geral deste trabalho foi analisar a influencia da técnica de deposição de filmes finos de derivados do politiofeno em um dispositivo fotovoltaico orgânico. Para isto utilizamos a técnica de Langmuir-Schaefer (LS) em comparação à técnica spin-coating comumente utilizada. Os filmes de politiofeno foram caracterizados por medidas de transporte elétrico (corrente vs. tensão, fotocondutividade, voltametria cíclica e espectroscopia de impedância), espectroscopia óptica (UV-visível e fluorescência) e técnicas morfológicas (microscopias de força atômica e de ângulo de Brewster, e perfilometria). Através das medidas elétricas em corrente contínua observou-se que os filmes LS apresentam maior condutividade elétrica quando comparados com filmes spin-coating. Do ponto de vista morfológico, a técnica de deposição utilizada mostrou ter influencia no desempenho do dispositivo fotovoltaico, devido à organização e nanoestruturação provida pela técnica LS. Estudos preliminares foram também realizados em filmes finos de polímeros de baixo bandgap baseados em ciclopentaditiofeno usando a técnica de Langmuir-Blodgett

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Moulin, Nelly. "Cellules solaires à haute tension de fonctionnement à basede Silicium ultra mince nanostructuré." Thesis, Lyon, 2021. http://www.theses.fr/2021LYSEI002.

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Abstract:

Les technologies actuelles sont marquées par une augmentation exponentielle du nombre d’objets connectés. Ceux-ci sont intégrés dans tous les domaines et s’accompagnent d’un enjeu de taille : leur approvisionnement en énergie. Dans cette thèse, on propose une nouvelle architecture de cellule solaire en Silicium pouvant s’intégrer facilement dans le design d’un objet connecté. Cette cellule est constituée de plusieurs sous-cellules mises en série par des jonctions tunnels verticales. La jonction tunnel a été étudiée analytiquement par le développement de deux nouveaux modèles sur sa caractéristique I(V). Par la suite, un procédé de fabrication a été mis en place pour la réalisation de jonctions tunnels verticales auto-alignées. Un premier démonstrateur de cellule solaire a été réalisé et a produit 200 mV de tension de sortie pour une cellule de 18 µm de large. L’effet de cascade de sous-cellules a également pu être montré sur des cellules contenant jusqu’à 10 jonctions tunnels. Par ailleurs, des options d’améliorations ont été proposées ainsi que des études sur la diminution des sources de résistance dans la cellule. Cette thèse étudie les phénomènes physiques interagissant dans une cellule à jonctions tunnels verticales de manière analytique, par simulation optique, physique et électrique ainsi que de manière expérimentale
Current technologies see an exponential increase in the number of connected objects. These objects are integrated in every domain and come along with an important challenge: their energy supply. In this thesis, we propose a new Silicon solar cell architecture that is easy to integrate in a chip design. This solar cell is composed of several subcells connected in series by vertical tunnel junctions. We study the tunnel junction from an analytical point of view and develop two new models on the I(V) characteristic. Then, we develop a new process flow to fabricate auto-aligned vertical tunnel junctions. With this process flow, a first prototype shows 200 mV output voltage for an 18 µm wide cell. We could also demonstrate the impact of series connection on cells containing up to 10 tunnel junctions. Several optimisations solutions have been proposed and investigated, notably on the resistance sources. This thesis studies physical phenomena interacting in a vertical tunnel junction solar cell from an analytical point of view, with optical, physical and electrical simulations along with experiments

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An, Yong Tao. "Films minces dopés terres rares à base de Silicium pour un effet de découpage de photons dans les cellules solaires." Caen, 2013. http://www.theses.fr/2013CAEN2068.

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Abstract:

La conversion de la lumière solaire en électricité à l'aide d'une cellule solaire basée sur l'effet photovoltaïque représente un espoir pour les énergies renouvelables. Mais l'efficacité des cellules solaires à base de Silicium cristallin est limitée par le recouvrement entre les spectres incidents du soleil et les propriétés d'absorption de la dite cellule, ce qui génère un effet nuisible de thermalisation. Le processus de "downconversion", qui consiste à convertir un photon ultra-violet visible (300-500nm) en deux photons infra-rouge (~1000 nm) minimise cette thermalisation par justement cet effet de découpage de photons. Cette thèse est consacrée à l'étude d'un tel effet "downconversion" sur deux systèmes co-dopés de terre rare (Pr3+-Yb3+; Tb3+-Yb3+) incorporés dans des matrices à base de Silicium qui peuvent être capable d'améliorer l'efficacité au-delà de la limite de Shockley-Queisser. Dans un premier temps, nous avons obtenu une intensité de photoluminescence importante des ions Tb3+ et du Pr3+ dans les matrices hôtes HfSiOx et SiOxNy respectivement. Une étude détaillée des mécanismes d'émissions et des facteurs influençant cette émission est effectuée. Les résultats indiquent que les deux matrices possèdent de nombreux sensibilisateurs permettant aux terres rares d'être excités sur un large domaine de longueur d'onde. Dans un deuxième temps, un effet "downconversion" a été obtenu sur la matrice Tb3+-Yb3+ :SiOxNy avec une efficacité quantique à 980 nm de 197 % pour la plus forte concentration d'Yb3+. Une estimation de l'efficacité quantique externe supplémentaire de cette couche de "downconversion" apportée par rapport à une cellule nue a été estimée à 2%. Cette couche peut être directement et facilement intégrée, à faible coût, sur le haut de la cellule solaire pour augmenter son efficacité de conversion photoélectrique
The conversion from sunlight to electricity using solar-cell devices based on the photovoltaic effect represents a promising towards green and renewable energy. But the efficiency of the c-Si solar cells is limited due to the overlap between the incident solar spectrum and the spectral absorption properties of the c-Si resulting in a harmful thermalization effect. Down conversion process, which consists in converting one incident ultraviolet-visible (300-500nm) photon into two near-infrared (~1000 nm) ones minimized this thermalization, by this quantum cutting effect. This thesis is devoted to the research of such down-converter effect on two rare-earth ions codoping systems (Pr3+-Yb3+; Tb3+-Yb3+) incorporated in a Si-based materials that may be capable of improving the efficiency beyond the Shockley-Queisser limit. In the first step, we have obtained remarkable photoluminescence intensity from Pr3+ and Tb3+ ions doped in HfSiOx and SiOxNy host matrices, respectively. An investigation on emission mechanisms and factors that influence emission are detailed. Results indicate that both matrices provide various sensitizers allowing the rare-earth ions to be effectively excited by a broad-wavelength domain. In the second step, down conversion effect was successfully achieved in Tb3+-Yb3+- SiOxNy system with an internal quantum efficiency at 980 nm of 197% for the higher Yb3+ concentration. An evaluation of the additional external quantum efficiency compared with a naked solar cell is deduced from this optical system and found to be almost 2%. These down-converter films could be directly and easily integrated on top of the Si-based solar cell to improve the photoelectric conversion efficiency at a lower cost

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Moreau, Antonin. "Propriétés optiques et caractérisation par photoréflectance de cellules solaires à base de couches minces CIGS électrodéposées." Thesis, Aix-Marseille, 2013. http://www.theses.fr/2013AIXM4305.

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Abstract:

Dans le domaine des cellules photovoltaïques à base de couches minces, l'alliage de Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGSe) constitue l'une des filières les plus avancées. Le passage à l'échelle industrielle soulève cependant de nouvelles problématiques. En effet, si le procédé standard de co-évaporation permet d'atteindre des rendements records supérieurs à 20 %, il reste relativement couteux à mettre en place. C'est ainsi que dans un contexte toujours plus compétitif, l'électrodépôt apparait comme une alternative de choix pour diminuer les coûts de production tout en garantissant des rendements compétitifs sur de grandes surfaces. Néamoins, de nombreuses propriétés spécifiques à ce mode de dépôt restent méconnues. En particulier les propriétés optiques à l'origine du photo-courant. Le premier objectif de cette thèse est donc de déterminer les constantes optiques de chaque couche du dispositif par ellipsométrie. Une attention particulière est donnée à la couche absorbante de CIGSe électrodéposée pour laquelle un protocole spécifique est employé. Une seconde partie de la thèse est dédiée à la réalisation d'un outil de caractérisation sans contact : la photoréflectance (PR). La PR va permettre de mesurer avec précision les énergies de transition interbandes d'un semi-conducteur, dont l'énergie de gap. Nous décrivons dans le détail le dispositif expérimental. Une implémentation originale utilisant une double modulation des sources a été développée et permet de réduire le bruit de mesure induit par la rugosité et la diffusion. L'étude de 14 échantillons de CIGS permet finalement de corréler des paramètres opto-électriques issus des caractéristiques courant-tension aux spectres PR
Regarding, thin film photovoltaic market, Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGSe) based material is one of the most advanced technologies. Its high absorption coefficient allows it to absorb an important part of the solar spectrum with only two micron thickness. But while moving from fundamental research to the development of batch flow production, issues still remain. If the standard co-evaporation process lead to the best efficiency up to 20 %, high energy consumption is needed. In an increasingly competitive market, electroplating allows to reduce operating cost related to vacuum processes while guaranteeing competitive efficiencies on large scale modules. Nevertheless, due to the specificities of electroplating, new issues occur and some properties may differ from vacuum routes. In particular, optical properties which are responsible for photo-current generation. The first part of this thesis is thus devoted to obtain the optical constants for each layer of the device by spectroscopic ellipsometry. We pay special attention to the electrodeposited CIGSe absorber layer for which a specific method have been used in order to perform measurements on the back side. The second part of this thesis is dedicated to the development of an caracterisation tool : the photoreflectance (PR). The experimental setup is precisely described. An special implementation, using dual modulation technique, increases accuracy by removing luminescence and scattering perturbations. The study of 14 CIGS samples allows finally to correlate opto-electrical parameters from I(V) curves with PR spectra

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Merigeon, Julien. "Etude des verres d’encapsulation pour cellules solaires photovoltaïques en silicium monocristallin." Thesis, Angers, 2015. http://www.theses.fr/2015ANGE0083.

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Abstract:

La thèse porte sur l’étude des verres d’encapsulation pour des cellules solaires en silicium monocristallin. Deux pistes ont été explorées pour réduire les pertes d’efficacité dues à l’encapsulation : la réduction de la réflexion de verres à base de silice avec des couches antireflets ainsi que l’utilisation de verres fluorés dopés terres rares à conversion de fréquence. Dans le premier cas, des couches antireflets ont été déposées sur des verres à base de silice par la méthode sol-gel. Les caractérisations optiques des verres ont été réalisées par spectrophotométrie et ellipsométrie et l’influence des différents verres sur les caractéristiques densité de courant-tension (J-V) ont été testées sous simulateur solaire dans des conditions standards (AM1.5 et 100 mW/cm2) pour une ou plusieurs cellules de référence. Une autre piste explorée a été celle des verres fluorés dopés terres rares ayant des propriétés de conversion de fréquence (conversion de photons non absorbés vers une énergie proche du gap optique du silicium). Des matrices fluorées de type ZBLA et ZLAG dopées terres rares (Pr3+, Tm3+, Yb3+) ont été utilisées. L’influence du dopage sur les performances électriques des cellules encapsulées a été étudiée en corrélation avec les propriétés physiques et optiques (transfert d’énergie, photoluminescence, transmittance) des verres. Le bénéfice de la conversion de fréquence a pour la première fois été montrée sur les caractéristiques J-V pour des échantillons co-dopés Pr3+-Yb3+. De plus, les caractéristiques des cellules de référence en utilisant ces nouveaux verres d’encapsulation ont été comparées à celles des verres utilisés habituellement dans l’industrie
The thesis studies the encapsulation glass for monocrystalline silicon solar cells. Two ways were explored to reduce the efficiency loss due to encapsulation: reducing reflection losses of silica based glasses with antireflection layers and the use of rareearth- doped fluoride glass for frequency conversion. On the one hand, antireflection layers have been deposited on the silica glass by sol-gel method. The optical characterizations were carried out by spectrophotometry and ellipsometry and the influence of different encapsulation glasses on the current density-voltage characteristics (J-V) were measured under solar simulator irradiation in standard conditions (AM1.5 and 100 mW/cm2) for various reference cells. On the other hand, the rare-earth-doped fluoride glasses which they can convert frequencies in order to change the energy of photons to energies adapted to the optical gap of the silicon has been investigated. The glasses used are fluorinated matrix ZLAG and ZBLA doped with rareearth elements (Pr3+, Tm3+, Yb3+). The effect of doping on the electrical performance of encapsulated cells was studied correlated with physical and optical properties of glasses (energy transfer, luminescence, transmittance). Frequency conversion was demonstrated by luminescence for all of the rare-earth-doped samples. Then the most promising results for encapsulating was found for codoped Yb3+-Pr3+ ZBLA glass. The benefit of the frequency conversion was shown for the first time in J-V characteristics. Then, characteristics of the reference cells with these new encapsulating glasses were compared to those from glasses commonly used in the photovoltaic modules industry

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Grau, Maïlys. "Réalisation de nouvelles structures de cellules solaires photovoltaïques à partir de couches minces de silicium cristallin sur substrat de silicium préparé par frittage de poudres." Phd thesis, INSA de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00876657.

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Abstract:

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour réduire le prix du watt-crête de l'énergie photovoltaïque, grâce à une très faible utilisation de silicium de haute pureté. Dans notre cas, les couches actives de silicium sont supportées par des substrats, de bas coût et compatibles avec les conditions de haute température nécessaires à une croissance cristalline rapide et de bonne qualité des couches. La société S'TILE développe ces substrats, par frittage à partir de poudres de silicium, et en recristallisant les plaquettes ainsi obtenues. Le but de cette thèse est de valoriser ce substrat pour l'industrie photovoltaïque et de démontrer qu'il est adapté à la fabrication de cellules solaires à bas coût et rendement élevé. Ces travaux utilisent le procédé d'épitaxie de silicium, qui est central pour fabriquer des cellules minces. Ils s'articulent autour de deux axes principaux. Le premier est la fabrication de cellules solaires et leur optimisation sur des substrats de référence monocristallins. Dans ce cadre, de nombreuses voies ont été explorées : l'utilisation de réflecteurs de Bragg en silicium poreux, l'optimisation du dopage de l'émetteur, la formation de gradients de dopage dans la base et l'utilisation de structures à émetteur en face arrière. Ces études ont permis d'évaluer le potentiel de ces différentes voies ; des résultats prometteurs pour l'amélioration du rendement de conversion des cellules sur couches minces ont été obtenus. Le second axe de la thèse est la fabrication de cellules sur les substrats frittés préparés par S'TILE et l'application des moyens développés dans le cadre du premier axe pour améliorer ces cellules. Les rendements encoura-geants obtenus ont ainsi démontré la faisabilité de cellules solaires sur les substrats réalisés par le procédé de frittage à bas coût développé par la société S'TILE.

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Klinkert, Torben. "Compréhension et optimisation du dépôt de Cu(In,Ga)Se2 par co-évaporation en tant qu'absorbeur pour le développement de cellules solaires en couches minces à très haut rendement." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066008/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, la croissance des couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) a été optimisée et étudiée systématiquement. Une étude de calibration de la température du substrat à l'aide d'une caméra infrarouge a été effectuée. La mise au point et l'optimisation d'un procédé en 3 étapes sur un nouveau réacteur de co-évaporation a permis la réalisation de cellules solaires avec un rendement de 16,7 % sans couche antireflet. La clé de ce développement a été le contrôle du gradient de Ga. Les inhomogénéités ont été caractérisées par une nouvelle approche basée sur le décapage chimique de l'absorbeur. Des caractérisations ex situ à différentes étapes de la croissance ont révélé l'importance des phases intermédiaires sur les mécanismes de croissance, le gradient de composition en profondeur et la morphologie des couches. L'interface absorbeur/couche tampon a été étudiée en variant la composition en surface du CIGS pour des couches tampons de CdS et Zn(S,O). Il a été montré qu'une adaptation de la composition en surface est favorable pour le remplacement de la couche tampon de CdS par Zn(S,O). Des rendements équivalents ont été obtenus pour ces deux matériaux si ils sont combinés avec la composition da Ga optimale correspondante. Des mesures courant-tension à basse température indiquent une position de la bande de condition plus basse que celle trouvée dans la littérature. Pour une optimisation ultérieure de nos cellules solaires vers et au-delà de 20 % de rendement, trois axes sont proposées : L'optimisation de la finalisation de l'absorbeur, la réduction de l'absorption par la couche tampon et l'incorporation de potassium ayant des effets positifs sur les propriétés du CIGS
In this thesis the growth of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin films by co-evaporation has been optimised and studied systematically. Being a key parameter, the substrate temperature has been calibrated with an infrared camera. The set-up and optimisation of a three-stage process at a new co-evaporation reactor has led to cell efficiencies up to 16.7 % without anti-reflection coating. The key for this achievement was the control of the Ga gradient. In depth inhomogeneities have been characterised by a novel method based on chemical etching of the absorber layer. Break-off experiments during the 3-stage process unveiled the importance of precursor and intermediate phases on growth mechanisms, in-depth compositional gradients and film morphology. The absorber/buffer layer interface has been investigated by varying the CIGS surface composition for solar cells both with a CdS and a Zn(O,S)-based buffer layer. It has been shown that an adaptation of the CIGS surface composition is beneficial for the replacement of the CdS by a Zn(O,S) buffer layer. Equivalent efficiencies can be achieved with the two buffer layers if each of them is combined with the corresponding optimal interface Ga composition. Low temperature current-voltage measurements indicate a lower conduction band offset at the CIGS/Zn(O,S) buffer layer as reported in the literature. For the further optimisation of our CIGS devices towards 20 % and beyond three routes are proposed: the optimisation of the absorber layer deposition finalisation, the reduction of detrimental absorption in the buffer layer (larger band gap or thinner buffer) and the incorporation of potassium which has beneficial effects on CIGS

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Moussa, Tankari Abdoul-Razak. "Etude et optimisation d'oxydes transparents conducteurs (OTC) à base de NPs de ZnO dopé en couches minces nanostructurés destinés à la réalisation de cellules solaires photovoltaïques." Electronic Thesis or Diss., Perpignan, 2024. http://www.theses.fr/2024PERP0014.

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Abstract:

Le sujet de thèse concerne la réalisation et la caractérisation d'un OTC à base de nanoparticules de ZnO dopé afin de concevoir une fenêtre optique nanostructurées performante destinée à des applications photovoltaïques qu'on retrouve généralement dans la technologie des cellules solaires de deuxième génération en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2(CIGS) ou de silicium amorphe. Le choix d'une approche purement expérimentale sera nécessaire à l'optimisation du protocole de synthèse des nanoparticules de ZnO dopé et des conditions de dépôt de celles-ci en couche mince nanostructurées. L'objectif visé est de mettre en œuvre au laboratoire PROMES un nouveau procédé de synthèse de nanoparticules de ZnO dopé à partir de la technique sol gel aqueux, faible coût et non polluante afin d'élaborer des couches minces d'OTC nanostructurés et des hétérojonctions P-N photosensibles sur substrats rigide ou flexible destinée à la réalisation de cellules solaires à base de CIGS et ou de silicium amorphe. Pour leurs élaborations, un protocole expérimental novateur sera mis au point à partir du couplage de deux procédés de synthèse chimique et physique respectivement : Sol gel aqueux et pulvérisation cathodique radio fréquence à basse pression
The proposed thesis subject concerns the realization and characterization of an OTC based on doped ZnO nanoparticles to design a high-performance nanostructured optical window intended for photovoltaic applications generally found in the technology second generation thin-film solar cells based on Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) or amorphous silicon. The choice of a purely experimental approach will be necessary for the optimization of the protocol for synthesizing doped ZnO nanoparticles and conditions for depositing them in a nanostructured thin layer. The objective is to implement at the PROMES laboratory a new process for synthesis of doped ZnO nanoparticles from the aqueous sol gel technique, low cost and non-polluting in order to develop thin layers of nanostructured OTCs and heterojunctions Photosensitive P-N on rigid or flexible substrates intended for the production of solar cells based on CIGS and / or amorphous silicon. For their development, an experimental protocol innovative will be developed from the coupling of two chemical synthesis processes and physical respectively: Aqueous sol-gel process and low frequency radio frequency sputtering pressure

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Al, ghzaiwat Mutaz. "Fabrication and study of solar cell modules based on silicon nanowire based radial junction solar cells." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX101/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous avons utilisé un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à basse température afin de fabriquer des minimodules à base de cellules solaires à jonction radiale (RJ SiNWs) sur des substrats de verre de 5x5 cm² en employant la gravure laser pour la mise en série des cellules.Nous avons utilisé une couche de 600 nm d’épaisseur de dioxyde d’étain dopée au fluor (FTO) déposée sur du verre sodocalcique (SLG). La couche de FTO sert à la fois de contact arrière pour le module et de source de catalyseur Sn une fois la couche de FTO réduite par un plasma de H2. Ensuite, on fait croître des SiNW dopés p par le procédé Vapor-Liquid-Solid (VLS) assisté par plasma, suivi d’un dépôt d’une couche de Si intrinsèque a-Si:H et d’une couche de Si dopée n µc-SiOx:H, afin d’obtenir une cellule solaire à jonction radiale PIN. Nous avons obtenu une efficacité énergétique de 6.3 % avec une surface active de 0.126 cm². C’est à notre connaissance l’efficacité la plus élevée obtenue en utilisant une couche de FTO comme source de catalyseur Sn.La gravure laser a été utilisée pour retirer localement des couches minces dans l’objectif de fabriquer des minimodules solaires. Grâce à la gravure laser, une connexion monolithique en série entre les cellules solaires à jonction radiale adjacentes a pu être accomplie. Dans cette thèse, la gravure laser a servi à retirer localement la couche de FTO ainsi que les RJ SiNWs, étapes appelées respectivement P1 et P2. On dépose ensuite une couche transparente d’oxyde d’indium-étain (ITO), servant de contact avant, par pulvérisation cathodique (étape P3), et on procède à la séparation en bandes par la technique « lift-off ». Nous avons mené une étude détaillée de l’étape P2 de gravure obtenue par un laser vert (532 nm) et IR (1064nm). La puissance du laser a un impact direct sur l’ablation des RJ SiNWs, et peut aussi endommager le contact arrière de la cellule. Nous avons déterminé que le laser vert entraîne une fonte partielle de matériau sur les bords de la zone gravée, contrairement au laser IR qui produit des gravures de meilleure qualité. La cartographie Raman des zones gravées permet une analyse des matériaux dans la zone étudiée, et a donné des indications sur la composition des résidus laissés par les impulsions laser. Nous avons démontré que l’utilisation du laser IR pour l’étape P2 de gravure est préférable. Elle permet d’avoir des connexions en série de haute qualité entre les cellules.Enfin, le mini-module optimisé de 10 cm² à base de RJ SiNWs a atteint un rendement de conversion énergétique de 4.37 % avec une puissance générée de 44 mW, grâce à l’amélioration de l’étape P2 et de l’impression par jet d’encre d’une grille dense d’Ag. À notre connaissance, cette puissance générée est la plus élevée rapportée pour des modules solaires à base de cellules à jonction radiale
In this thesis, we have used a low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor to fabricate Si nanowire radial junction solar mini-modules on 5x5 cm2 glass substrates with the assistance of the laser scribing technique for the series connection of the cells.We have used fluorine-doped tin oxide (FTO) deposited on soda-lime glass substrates (SLG) as a back contact as well as the source of the Sn catalyst which was formed by a direct reduction of FTO using a H2 plasma. Subsequently, p-type SiNWs were grown using plasma-assisted vapor liquid solid (VLS) process, followed by the deposition of intrinsic a-Si:H and n-type µc-SiOx:H layers to achieve pin radial junction solar cells. We have obtained an energy conversion efficiency of 6.3 % with an active area of solar cells of 0.126 cm2, which is to our knowledge, the highest efficiency obtained based on FTO layers as a source of Sn catalyst.Laser scribing was used to perform a selective removal of thin-film materials in order to fabricate minimodules. With laser scribing, a monolithic series connection between adjacent RJ SiNW solar cells on the same glass substrate was achieved. In particular, the laser scribing system has been used to perform selective removal of FTO thin-film and RJ SiNWs, which are commonly known as step P1 and P2, respectively, and to perform a final scribe to isolate the active region from the rest of the substrate. The transparent top ITO contact was sputtered and cell stripes were defined using the lift-off technique (step P3).We have carried out a detailed study of the P2 laser scribe obtained with either green (532 nm) or IR (1064 nm) laser setups. The power of the laser has to be controlled as it has a direct impact on the removal of SiNW RJs and it can damage the underneath FTO contact. We have found that the scribing using a green laser produces a partial melting outside the scribed spots, unlike the IR laser which provides a cleaner scribing and less crystallized material at the edges of scribed spots. Mapping of the scribed spots using Raman spectroscopy allowed analyzing the material composition within the scanned area inside the craters left by the laser pulses. We have demonstrated that the use of the IR laser is preferable for P2 scribing because it can provide a high-quality series connection between cells.Finally, the optimized 10 cm2 SiNW RJ mini-module has reached an energy conversion efficiency of 4.37 % with power generation of 44 mW, thanks to the improved P2 laser scribing and the dense Ag grid printed using the ink-jet method. This performance represents, to the best of our knowledge, the highest reported power generation for silicon nanowire-based solar modules on glass substrates

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Patel, Jayeshkumar Dineshbhai. "Development of Pb and Cd chalcogenide nanomaterials, nanocomposites and thin films : synthesis, characterization and applications in solar cells and photocatalysis." Thesis, Université Laval, 2014. http://www.theses.ulaval.ca/2014/30719/30719.pdf.

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Abstract:

Les Chalcogénures métalliques ont émergé comme une classe importante de matériaux en raison de leur grand potentiel dans de nombreuses applications technologiques. Dans cette thèse, des approches faciles et peu onéreuses ont été adoptées pour développer des nanomatériaux de chalcogénures métalliques et des films minces à partir de leurs précurseurs, les complexes organo-métalliques. L’utilisation des nanomatériaux synthétisés et des couches minces dans les cellules solaires et dans la purification photocatalytique de l’eau a été discutée. La première approche adoptée implique la synthèse de nanomatériaux de sulfure métallique à partir du complexe metal-thiourée (M-TU) comme précurseur. Des nanocristaux (NCs) de sulfure de plomb (PbS) ainsi que des nanostructures ont été synthétisés à partir des complexes méthanoliques plomb-thiourée (Pb-TU) via diverses techniques de précipitation basées sur la décomposition du complexe méthanolique Pb-TU. Nous avons aussi synthétisé des nanostructures de sulfure de cadmium (CdS) par décomposition hydrothermale et solvothermale du précurseur du complexe cadmium-thiourée mélangé à l’ACA. Les nanostructures de CdS telles que synthétisées ont montré des activités photocatalytiques très efficaces pour la dégradation du méthylorange et de la rhodamine B (RhB) en milieu aqueux. On a aussi développé des voies simples de synthèse pour préparer des nanomatériaux d’halogénure métallique à partir des complexes (M-O). La sulfurisation des précurseurs du complexe M-O à une température relativement basse produit des nanocristaux de sulfure métallique très stable vu que l'acide oléique (OA) est chimisorbé en tant que carboxylate à la surface des NCs. Le précurseur du complexe oléate de cadmium Cd-O a aussi été utilisé pour préparer des NCs de CdSe. Le traitement de surface des NCs de CdSe ainsi synthétisés avec de la pyridine et du tert-butylamine a été très efficace pour remplacer les ligands AO à longues chaines. Les cellules solaires à hétérojonction volumique fabriquées à partir des NCs de CdSe à surface traitée montrent une meilleure amélioration dans les performances photovoltaiques par rapport aux NCs de CdSe non traités. La décomposition solvothérmale du précurseur du complexe Cd-O mélangé à la thio-urée produit aussi des nanocristaux composés de microsphères de CdS en forme de chou-fleur ayant de bonnes propriétés physicochimiques et une capacité photocatalytique à dégrader le RhB en milieu aqueux. La technique de déposition de revêtement par centrifugation ‘spin coating’ a été utilisée pour fabriquer les films minces de CdS et de PbS à partir de leurs précurseurs, les complexes méthanoliques M-TU. Les films obtenus avaient une surface lisse et affichaient des bandes interdites à taille quantifiée. Les raisons possibles de la faible efficacité des dispositifs de cellules solaires à films minces de CdS/PbS ont été discutées.
Metal chalcogenides have emerged as an important class of materials due to their potential significance in many technological applications. In this work, easy and low cost approaches have been developed to prepare metal chalcogenide nanomaterials and thin films from their metal-organic complex precursors. The use of synthesized nanomaterials and thin films in solar cells and photocatalytic water purification has been discussed. The first approach adopted involves the synthesis of metal sulphide nanomaterials using metal-thiourea (M-TU) complex precursors. Lead sulphide (PbS) nanocrystals (NCs) and nanostructures were synthesized from methanolic lead-thiourea (Pb-TU) complex via various precipitation techniques based on the decomposition of methanolic Pb-TU complex. We have also synthesized cadmium sulphide (CdS) nanostructures through hydrothermal and solvothermal treatment of aminocaproic acid (ACA)-mixed cadmium-thiourea complex precursor. The as-synthesized CdS nanostructures were found to exhibit highly efficient photocatalytic activities for the degradation of methyl orange and rhodamine B (RhB) in aqueous medium. We have also developed simple synthetic routes to prepare metal chalcogenide nanomaterials from metal-oleate (M-O) complexes. Sulphurizations of M-O complex precursors at relatively low temperatures produced highly stable metal sulphide NCs because oleic acid (OA) is chemisorbed as a carboxylate onto the surface of NCs. The cadmium-oleate (Cd-O) complex precursor was also used to prepare CdSe NCs. Surface treatments of the as-synthesized CdSe NCs with pyridine and tert-butylamine were very effective to replace long chain OA ligands. Bulk-heterojunction solar cells made from surface treated cadmium selenide (CdSe) NCs showed greater improvement in photovoltaic performances compared to those made from untreated CdSe NCs. Solvothermal decomposition of thiourea-mixed Cd-O complex precursor also produced nanocrystals composed of cauliflower-like CdS microspheres with good physicochemical properties and photocatalytic ability to degrade RhB in aqueous medium. The spin-coating deposition technique was used to develop PbS and CdS thin films from their methanolic M-TU complex precursors. The obtained films had smooth surface and showed size quantized band gaps. The possible reasons behind the low efficiency of CdS/PbS thin film solar cell device were also discussed.

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Gérenton, Félix. "Procédés innovants adaptés aux cellules photovoltaïques PERC en couches minces de silicium cristallin." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI143/document.

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Abstract:

Le coût de fabrication des modules photovoltaïques est un point critique pour implanter l’énergie solaire dans le mix énergétique. L’un des moyens d’abaisser ce coût est la réduction de l’épaisseur de silicium utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Il est techniquement possible de produire des cellules photovoltaïques en silicium cristallin d’une épaisseur de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur seulement, bien que cela représente un défi à la fois pour le procédé de fabrication de telles cellules et pour leur optimisation. Celle-ci est différente des cellules d’épaisseur conventionnelle notamment par le besoin d’un piégeage optique et d’une passivation de surface de haut niveau. Cet aspect sera étudié au travers de deux structures : un réflecteur en face arrière de la cellule, et un procédé de texturisation innovant pour limiter la gravure du silicium de la cellule, déjà mince. Enfin, l’implantation du réflecteur dans des cellules photovoltaïques sera traitée. L’optimisation du réflecteur considéré pour des cellules minces en silicium cristallin a montré de très bonnes propriétés réfléchissantes et de passivation de surface, ainsi qu’une compatibilité avec l’ensemble des étapes du procédé de fabrication. Ensuite, la texturisation avancée développée dans ce travail a montré un gain potentiel important en photogénération pour des cellules de faible épaisseur. La caractérisation de ces structures a montré des performances optiques et électriques comparables à l’état-de-l’art. Enfin, la fabrication de cellules photovoltaïques d’épaisseur standard utilisant le procédé développé pour les cellules minces a montré le gain du réflecteur développé pour la face arrière par rapport à une structure classique de cellule. De plus, la réalisation de ces cellules avec le procédé destiné aux cellules minces a permis d’établir que les étapes non-standard du procédé sont compatibles avec l’obtention de cellules photovoltaïques performantes
The cost of fabrication of photovoltaic modules is a critical figure for settling solar power into the energy mix. One way to lower this cost is to decrease silicon use in photovoltaic cells. It is technically possible to produce crystalline silicon solar cells only a few dozens of microns thick, although this represents a challenge both for their fabrication process and their optimization. This last one is different from cells of standard thickness, especially by the need of high level light trapping and surface passivation. Two structures will be studied in order to fulfill these aspects : a reflector on the rear side of the cell, and an innovative texturing process used to limit the etching of the already thin silicon absorber. Eventually, the implementation of the rear side reflector into photovoltaic cells will be discussed. The rear side reflector optimized for thin-film crystalline silicon solar cells has shown very good passivating and reflecting properties, as well as compatibility with the overall fabrication process. Moreover, the advanced texturation process developped in this work has shown a large potential gain in photogeneration for thin solar cells. These structures have been characterized and have shown a reflectivity and a passivation level coherent with the state-of-the-art. Finally, solar cells of standard thickness have been fabricated with the thin solar cells process, and have shown an improvement from the rear side reflector in comparison with a standard cell structure. Moreover, making these cells with the thin cells process has shown that the non-standard steps of this process are compatible with high-performance solar cells fabrication

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Klinkert, Torben. "Compréhension et optimisation du dépôt de Cu(In,Ga)Se2 par co-évaporation en tant qu'absorbeur pour le développement de cellules solaires en couches minces à très haut rendement." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066008.

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Abstract:

Dans cette thèse, la croissance des couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) a été optimisée et étudiée systématiquement. Une étude de calibration de la température du substrat à l'aide d'une caméra infrarouge a été effectuée. La mise au point et l'optimisation d'un procédé en 3 étapes sur un nouveau réacteur de co-évaporation a permis la réalisation de cellules solaires avec un rendement de 16,7 % sans couche antireflet. La clé de ce développement a été le contrôle du gradient de Ga. Les inhomogénéités ont été caractérisées par une nouvelle approche basée sur le décapage chimique de l'absorbeur. Des caractérisations ex situ à différentes étapes de la croissance ont révélé l'importance des phases intermédiaires sur les mécanismes de croissance, le gradient de composition en profondeur et la morphologie des couches. L'interface absorbeur/couche tampon a été étudiée en variant la composition en surface du CIGS pour des couches tampons de CdS et Zn(S,O). Il a été montré qu'une adaptation de la composition en surface est favorable pour le remplacement de la couche tampon de CdS par Zn(S,O). Des rendements équivalents ont été obtenus pour ces deux matériaux si ils sont combinés avec la composition da Ga optimale correspondante. Des mesures courant-tension à basse température indiquent une position de la bande de condition plus basse que celle trouvée dans la littérature. Pour une optimisation ultérieure de nos cellules solaires vers et au-delà de 20 % de rendement, trois axes sont proposées : L'optimisation de la finalisation de l'absorbeur, la réduction de l'absorption par la couche tampon et l'incorporation de potassium ayant des effets positifs sur les propriétés du CIGS
In this thesis the growth of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin films by co-evaporation has been optimised and studied systematically. Being a key parameter, the substrate temperature has been calibrated with an infrared camera. The set-up and optimisation of a three-stage process at a new co-evaporation reactor has led to cell efficiencies up to 16.7 % without anti-reflection coating. The key for this achievement was the control of the Ga gradient. In depth inhomogeneities have been characterised by a novel method based on chemical etching of the absorber layer. Break-off experiments during the 3-stage process unveiled the importance of precursor and intermediate phases on growth mechanisms, in-depth compositional gradients and film morphology. The absorber/buffer layer interface has been investigated by varying the CIGS surface composition for solar cells both with a CdS and a Zn(O,S)-based buffer layer. It has been shown that an adaptation of the CIGS surface composition is beneficial for the replacement of the CdS by a Zn(O,S) buffer layer. Equivalent efficiencies can be achieved with the two buffer layers if each of them is combined with the corresponding optimal interface Ga composition. Low temperature current-voltage measurements indicate a lower conduction band offset at the CIGS/Zn(O,S) buffer layer as reported in the literature. For the further optimisation of our CIGS devices towards 20 % and beyond three routes are proposed: the optimisation of the absorber layer deposition finalisation, the reduction of detrimental absorption in the buffer layer (larger band gap or thinner buffer) and the incorporation of potassium which has beneficial effects on CIGS

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Ehré, Florian. "Elaboration et caractérisation de films d'oxynitrure de silicium dopés cérium et ytterbium : applications aux diodes électroluminescentes et au découpage quantique pour les cellules solaires." Thesis, Normandie, 2017. http://www.theses.fr/2017NORMC260/document.

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Abstract:

Cette thèse porte sur les applications optiques de films d’oxynitrures de silicium dopés cérium et co-dopés cérium-ytterbium élaborés par pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence. Les paramètres de dépôt ont été optimisés afin d’obtenir une intense émission visible à l’œil nu des ions Ce3+ dans la matrice hôte SiOxNy. Il est démontré que le flux d’azote est un paramètre crucial pour obtenir cette émission. Nous avons montré aussi que les ions Ce3+ peuvent être incorporés en grande quantité dans cette matrice, sans clusterisations jusqu’à de très hautes températures de recuits (1200°C). Ces excellentes propriétés optiques ont mené à une première application : la tentative d’élaboration de DEL bleue. Les premiers résultats obtenus montrent une électroluminescence peu intense, mais restent encourageants pour une étude plus approfondie. La deuxième application étudiée est le développement de couches à conversion de fréquence basse pour augmenter le rendement des cellules solaires à base de silicium. En effet les cellules solaires sont limitées par le recouvrement du spectre solaire et la plage d’absorption de la cellule. L’élaboration de films SiOxNy co-dopés Ce/Yb pour convertir un photon ultra-violet (300-400 nm) en deux photons infra-rouges (980 nm) permet de passer outre la limite théorique des cellules solaires. Les systèmes élaborés montrent une émission des ions Yb3+ en présence d’ions Ce3+ dans la matrice hôte SiOxNy. Les ions Ce3+ permettent d’excités les ions Yb3+ sur une large gamme spectrale et le mécanisme de transfert d’énergie entre ces deux terres rares est détaillé. Un rendement de conversion de 185% est obtenu pour la plus forte concentration en ions Yb3+. Pour améliorer ce système, l'ajout de miroirs de Bragg entre la couche à conversion et le substrat de silicium, représentant la cellule solaire, a été étudié théoriquement. Leur but est double : maximiser le flux de photons ultraviolets piégé dans la couche à conversion de fréquence et transmettre un maximum de photons infrarouges, qui sont facilement absorbables, vers la cellule solaire
This thesis is dedicated to cerium doped and cerium-ytterbium co doped oxynitride silicon films optical applications grown by radio frequency magnetron sputtering. Growth parameters have been optimized in order to obtain a strong cerium emission visible to the naked eye in the matrix host SiOxNy, especially the nitrogen flux has a dominant role. We showed that cerium ions have a high solubility without clustering at very high annealing temperature (1200°C). Those excellent properties lead to a first application: the elaboration of blue LED. First results show a weak electroluminescence signal but are still encouraging for further study. The second application is the elaboration of frequency conversion layers to increase the efficiency of Si based solar cell. Indeed solar cell are limited by the mismatch between the solar spectrum and the cell absorption range. The elaboration of Ce/Yb co doped SiOxNy films to convert a UV photon (300-400 nm) into two infrared photons (980 nm) allows to overcome the solar cell theoretical limit. Layers grown show an Yb3+ ion emission in presence of Ce3+ ions in the host matrix SiOxNy. Ce3+ ions sensitize Yb3+ ions on a large spectral range and their cooperative energy transfer mechanism is detailed. An efficiency of 185% is obtained for the higher dopants atomic concentration. In order to improve this system, the effect of adding Bragg mirrors placed between the conversion layer and the silicon substrate, which represents the solar cell, is theoretically studied. Their aim is double: increase the maximum flux of UV photons trapped in the frequency conversion layer and transmit a maximum of infrared photons, which are easily absorbable, toward the solar cell

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Korolkov, Ilia. "Propriétés photoélectriques de vitrocéramiques et cristaux de chalcogénures." Thesis, Rennes 1, 2017. http://www.theses.fr/2017REN1S145/document.

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Abstract:

La crise de l’énergie ainsi que les problèmes écologiques sont considérés comme les défis les plus importants de demain. Cependant, les sources d’énergies renouvelables et respectueuses de l’environnement ne sont pas suffisamment développées, ce qui entraîne une contribution faible à la production d’énergie. Les cellules solaires font partie des sources d’énergies renouvelables les plus attractives et prometteuses. Cependant, les panneaux solaires existants ont toujours un facteur de qualité négatif, c’est-à-dire que leur production et leur entretien demandent plus d’énergie qu’ils ne sont capables de produire pendant leur cycle de fonctionnement. Malgré la réduction exponentielle du prix des panneaux solaires, leur efficacité de conversion n’est pas suffisante. Les succès récents dans la science des matériaux ont beaucoup contribué à son amélioration, néanmoins des études sur les nouveaux matériaux photovoltaïques sont nécessaires. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent les vitrocéramiques de chalcogénures dans le système GeSe2-Sb2Se3-CuI. De nombreuses compositions chimiques différentes ont été préparées et analysées du point de vue structural et électrique dans le cadre de ce système. Il a été démontré que la phase Sb2Se3, responsable des propriétés photoélectriques dans les vitrocéramiques, possède un grand potentiel pour les applications photovoltaïques grâce à ses propriétés optiques bien adaptées. L’influence des modifications de la composition des cristaux de Sb2Se3 sur la structure et les propriétés électriques a été étudiée. La flexibilité du type de conductivité et la résistivité des cristaux massifs de Sb2Se3 ont été montrées. Enfin, les couches minces à base de vitrocéramiques et cristaux massifs étudiés ont été préparées par la pulvérisation cathodique RF magnétron. Leur structure et les propriétés électriques sont également décrites dans cette thèse. Une cellule solaire complètement fonctionnelle, basée sur Sb2Se3 dopé iode et sur la vitrocéramique de 40GeSe2-40Sb2Se3-20CuI, a été préparée et caractérisée
Energy crisis and global ecological problems are considered as important challenges of nearest future. Eco-friendly and renewable sources of energy are still severely undeveloped and contribute weakly to the energy production. One of the most attractive and promising domains of renewable energy is a solar light harvesting. However, existing solar panels still possess negative quality factor, i.e. their fabrication and maintenance require more energy that they are capable to produce during their life cycle. Despite exponential reduction of the price, solar cells are not efficient enough in terms of light to energy conversion. Recent breakthroughs in material science contributed a lot to the increase of efficiency, however further investigation of novel materials are needed. Here, chalcogenide glassceramics of GeSe2-Sb2Se3-CuI system were studied in details. Within this system various chemical compositions were prepared and analyzed for their structure and photoelectric properties. We found that Sb2Se3 phase, responsible for the appearance of photoelectric effect in glass-ceramics, have a great potential for light harvesting due to its suitable optical properties. In the present work we demonstrated the influence of various dopants on photoelectric properties of Sb2Se3 crystals. We showed a possibility of conductivity type and resistivity tuning of bulk Sb2Se3 crystals in a wide range of values. Thin film devices based on studied bulk compositions were prepared by RF sputtering and characterized structurally and electrically as well. We demonstrated a fully functional thin film solar device based on iodine doped Sb2Se3 and 40GeSe2-40Sb2Se3-20CuI glass-ceramic

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Souidi, Ramzi. "Etudes des propriétés physiques et chimiques de la surface des substrats de Silicium après découpe dans les applications aux cellules solaires photovoltaïques." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAY017/document.

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Abstract:

Pour l’industrie photovoltaïque (PV) l’optimisation de la découpe de lingot de silicium en tranches représente un enjeu à la fois économique et scientifique. Enjeu économique en ce qu’il est important de réduire la perte de matière induite par la découpe. Enjeu scientifique en ce qu’il est nécessaire de comprendre l’impact du sciage sur la qualité du silicium au voisinage de la surface. Ce travail de thèse de doctorat a pour objectif de caractériser la nature et l’extension de l’endommagement généré par une technique innovante de découpe réalisée à l’aide de fils diamantés. Un objectif majeur est d’évaluer l’épaisseur de la couche de silicium perturbée (appelée SSD). Afin de caractériser la SSD, des analyses physico-chimiques en fonction de la profondeur ont été réalisées d’une part, sur des échantillons bruts de découpe en surface, en coupes biaises ou transverses et d’autre part, par enlèvement progressif de matière par des attaques chimiques en solutions diluées. Des protocoles de préparation d’échantillons ainsi que de nombreuses techniques de caractérisation ont été utilisées. En particulier des techniques de microscopie (optique, confocale, électronique MEB et TEM), de spectroscopie de photoélectrons (XPS), de diffraction de rayons X (DRX), de spectroscopie Raman ainsi que des essais de résistances mécaniques aboutissent à une caractérisation multi-échelle des tranches et de coupons. Un polissage en coupes biaises avec un angle faible permet d’étendre la zone d’observation des défauts en profondeur et d’en faire une analyse statistique. De plus, des méthodes de mesure de durée de vie des porteurs minoritaires sont exploitées pour évaluer les processus de recombinaison sur la couche perturbée. Le temps de vie a été obtenu via la mesure de la décroissance de photoconductivité (PCD) sur des surfaces passivées par différents matériaux (SiNx :H, Al2O3) et procédés de dépôts (PECVD, ALD). D’abord, la caractérisation des échantillons bruts de découpe indique que les défauts majeurs de la SSD sont des fissures générées par la découpe et qui se propagent en subsurface. Ces fissures se distribuent sur des profondeurs variables et hétérogènes selon les conditions de découpe. Ensuite, les résultats de la méthode par enlèvement contrôlé montrent, d’une part, un effet de la SSD dans les processus de recombinaison. La précision d’évaluation de cet effet est conditionnée par des passivations de surface optimisées et des mesures fiables du temps de vie. D’autre part, ils montrent une interaction de l’attaque chimique avec les fissures. Ce dernier point est déterminant dans l’évaluation de l’épaisseur de la SSD globale pouvant impacter les performances des cellules solaires
For photovoltaic industry (PV), the optimization of cutting silicon ingot into wafers represents both an economic and a scientific issue. Economic challenge in that it is important to reduce the loss of material induced by cutting. Scientific issue in that it is necessary to understand the impact of sawing on the quality of silicon near the surface. This PhD research work aims to characterize the nature and extent of the damage generated by an innovative cutting technique using diamond wires. A major objective is to evaluate the thickness of the subsurface damage layer (called SSD). In order to characterize the SSD, physical and chemical investigations as a function of depth were performed on either as-cut surface, bevel or transverse sectioned samples or by removal of material by sequential etching in diluted solutions. Sample preparation protocols as well as many characterization techniques were used. In particular microscopy techniques (optical, confocal, electronic SEM and TEM), photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and mechanical strength tests allow multiscale characterization of wafers and coupons. A low bevel angle polishing lets to extend the observation zone of deep defects and to make a statistical analysis. Furthermore, methods from measuring the minority carrier lifetime are used to evaluate the recombination processes on the disturbed layer. The lifetime was obtained by photoconductivity decay (PCD) measurements on SiNx: H and Al2O3 passivated surfaces obtained from PECVD and ALD deposition processes respectively. First, characterizing samples from as-cut wafers indicates that the major defects of the SSD are cracks generated by cutting and propagated into the subsurface. These cracks are distributed over varying and heterogeneous depths depending on the sawing conditions. Second, the results of the sequential removal method show, on the one hand, an effect of the SSD in recombination processes. The evaluation accuracy of this effect is conditioned by optimized surface passivation and reliable measurements of lifetime. On the other hand, an interaction of chemical attack with cracks is shown. This is crucial in the evaluation of the absolute thickness of SSD layer that may impact the solar cells performance

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Medjnoun, Kahina. "Etude et réalisation de semi conducteurs transparents ZnO dopé vanadium et oxyde de vanadium en couches minces pour des applications photovoltaïques." Thesis, Perpignan, 2015. http://www.theses.fr/2015PERP0020.

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Abstract:

Nos travaux de recherche ont été réalisés dans le but de développer de nouveaux nanomatériaux semi conducteurs transparents d‟alliages ZnxV1-xO en couches minces nanostructurées destinés aux applications dans les dispositifs optoélectroniques et en particulier dans les cellules photovoltaïques en couches minces à base de CIGS. L‟objectif principal recherché est de mettre en oeuvre des couches tampons/couches fenêtres à base de matériaux exempte de Cadmium et d‟Aluminium ou d‟Indium, comme le ZnxV1-xO respectivement à forte et à faible concentration de vanadium. L'originalité de mon travail est de réaliser à partir du même procédé de dépôt, deux éléments de la cellule CIGS en employant la technique PVD (rf-magnétron sputtering) dont les cibles de pulvérisation sont constituées de poudre nanocristallines préalablement synthétisées par voie sol-gel. Ce protocole d‟élaboration engendre une diminution conséquente du coût de production. Pour se faire, dans un premier temps des caractérisations structurales, morphologiques, optiques et électriques des films minces obtenus ont été menées et leurs paramètres physiques ont été mesurés pour déterminer les conditions optimales de dépôt des couches souhaitées. Les résultats obtenus montrent que des concentrations en vanadium de 20% et de 1% sont respectivement adéquates pour la réalisation des couches tampons et des Oxydes Transparents et Conducteurs (OTC) envisagés. Enfin, pour prévoir et améliorer les paramètres photovoltaïques, une nouvelle architecture de structure photovoltaïque de type Verre/(n+)Zn0.99V0.01O/(n)Zn0.80V0.20O/(p)Cu(In,Ga)Se2 /Mo a été définie et modélisée par simulation en utilisant les résultats expérimentaux déjà obtenus. Ce travail a permis de définir les critères auxquels doit répondre l‟absorbeur CIGS pour l‟obtention du meilleur rendement de conversion de la cellule proposée
Our research work has been performed with the aim of developing new transparent semiconductor nanomaterials of ZnxV1-xO alloys in nanostructured thin films for applications in optoelectronic devices and in particular in photovoltaic cells in CIGS based thin films. Our main objective is to realize buffer layers/window layers based on materials not containing cadmium, aluminum nor indium, such as ZnxV1-xO at respectively high and low vanadium concentration. The originality of my work is in the realization, starting from the same deposition process, of two elements of the CIGS cell using the PVD (rf-magnetron sputtering) technique, in which the sputtering targets are based on nanocrystalline powders previously synthesized by the sol-gel process. This elaboration method gives rise to a significant decrease in the production cost. In order to achieve this, first of all structural, morphological, optical and electrical characterization of the thin films have been carried out and their physical parameters have been measured in order to determine the optimal conditions of deposition for the desired films. The obtained results exhibit that vanadium concentrations of 20% and 1% are respectively suitable for realizing the desired buffer layers and Transparent Conducting Oxides (TCO). Finally, in order to anticipate and improve the photovoltaic parameters, a new architecture of photovoltaic structure of the type Glass/(n+)Zn0.99V0.01O/(n)Zn0.80V0.20O/(p)Cu(In,Ga)Se2 /Mo has been defined and modeled by simulation using the experimental data already obtained. This work has allowed us to define the criteria which the CIGS absorber must respect in order to obtain the best conversion efficiency of the proposed cell

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Roger, Charles. "Developpement de cellules photovoltaïques à base de CIGS sur substrats métalliques." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00965592.

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Abstract:

Ces travaux de thèse ont pour but de développer des cellules photovoltaïques à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sur des substrats métalliques. L'objectif principal consiste à résoudre les différentes problématiques liées à l'utilisation de ces substrats (Ti et acier inoxydable) en s'appuyant sur une adaptation de l'électrode arrière. L'étude est focalisée sur l'élaboration de contacts arrière en Mo par pulvérisation cathodique. Dans un premier temps, des contacts arrières en monocouches et en bicouches sont comparés, démontrant les intérêts des structures en bicouches. Ces dernières sont obtenues en utilisant successivement deux pressions différentes pendant le dépôt du contact arrière. Nous montrons que la pression utilisée pendant le dépôt de la couche inférieure influe sur la morphologie de la couche supérieure. Il en résulte des modifications de l'orientation cristalline du CIGS et des performances photovoltaïques. Dans une seconde étude, la couche inférieure est déposée à partir d'une cible de molybdène contenant du sodium (Mo:Na) afin d'apporter du Na dans le CIGS. Les différences entre le Mo et le Mo:Na sont d'abord étudiées. Nous montrons ensuite que la diffusion du sodium vers le CIGS dépend de la pression de dépôt de la couche de Mo:Na. Dans le cas de substrats en Ti, des rendements équivalents aux substrats en verre sodo-calcique sont obtenus en utilisant le molybdène dopé au sodium. Nous montrons aussi qu'en présence de sodium, l'effet de la pression de dépôt de la couche inférieure sur les performances est minimisé.

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Barbos, Corina. "Passivation de surface des cellules photovoltaïques en silicium cristallin : Dépôt par ALD et caractérisation de couches minces d’Al2O3." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI149/document.

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Abstract:

La réduction des recombinaisons aux surfaces des cellules solaires est un enjeu fondamental pour l'industrie photovoltaïque. La passivation des défauts électriques en surface peut être obtenue par la formation de liaisons chimiques ou par l'apport de charges électriques capables de repousser un type de porteurs. Ces effets peuvent être obtenus grâce à des couches minces fonctionnalisées déposées sur les surfaces des matériaux qui constituent les cellules. Dans le cadre de cette thèse nous avons étudié la passivation de surface du silicium par des couches minces d’Al2O3 déposées par ALD. La caractérisation physique, optique, structurale et chimique des couches déposées a été réalisée. Une optimisation du procédé d’élaboration (nettoyage pré dépôt, paramètres de dépôt et de recuit) de couches d’alumine a été nécessaire pour répondre aux exigences de la réduction de recombinaisons de surface et obtenir des résultats de passivation optimisés. Enfin, différentes briques technologiques nécessaires à l’intégration de ces couches dans l’architecture d’une cellule solaire silicium ont été étudiées et développées
The reduction of recombination at the surfaces of solar cells is a fundamental challenge for the photovoltaic industry. Passivation of surface electrical defects can be achieved by the formation of chemical bonds or by the supply of electric charges capable of repelling a type of carrier. These effects can be obtained by means of functionalized thin layers deposited on the surfaces of the materials which constitute the cells. In this thesis we studied the surface passivation of silicon by thin layers of Al2O3 deposited by ALD. The physical, optical, structural and chemical characterization of the deposited layers was carried out. An optimization of the preparation process (pre-deposition cleaning, deposition and annealing parameters) of alumina layers was necessary to meet the requirements of reduction of surface recombinations and to obtain optimized passivation results. Finally, various technological bricks necessary for the integration of these layers in the architecture of a silicon solar cell have been studied and developed

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Cariou, Romain. "Epitaxial growth of Si(Ge) materials on Si and GaAs by low temperature PECVD: towards tandem devices." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2014. https://theses.hal.science/tel-01113794/document.

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Abstract:

Cette thèse s'intéresse à la croissance épitaxiale de Si et SiGe à basse température (200°C) par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD), et à l'utilisation de ces matériaux cristallins dans les cellules solaires en couches minces. L'objectif était de mieux comprendre cette croissance inattendue et d'étudier le potentiel de ces matériaux pour les cellules simples et multijonctions. Nous avons d'abord démontré qu'il est possible d'effectuer, avec un réacteur PECVD standard, un nettoyage efficace de la surface du c-Si et de poursuivre par une croissance épitaxiale de couches de Si jusqu'à 8µm d'épaisseur. L'impact des paramètres du procédé tels que la dilution du SiH4 dans l'H2, l'énergie des ions ou encore la pression totale, sur la qualité des couches a été mis en évidence. Les propriétés électriques et structurelles des couches ont été analysées, et nous avons démontré une amélioration de la qualité cristalline avec l'épaisseur de la couche. La croissance épitaxiale de Ge et SiGe sur c-Si dans des conditions similaires a également été établie. Ensuite, par une séquence d'étapes à moins de 200°C, des hétérojonctions PIN sur substrats très dopés, avec une couche absorbante épitaxiée de 1-4µm ont été réalisées, atteignant 8. 8% de rendement (sans piégeage optique) et 80% de FF. Le remplacement du Si par du Si0:73Ge0:27 a permis un gain de 11% sur le Jsc. Le contrôle de l'interface wafer/épi et des contraintes permet de favoriser le décollement : des couches epi-Si de 1. 5µm/10cm^2 ont été reportées sur verre avec succés. Nous avons également analysé l'influence de nanostructures photoniques sur les propriétés des dispositifs. L'étude conjointe de la croissance, du transfert et du piégeage optique ouvre la voie aux cellules c-Si ultra-minces (<10µm) bas côut. Enffin, contrairement au scénario classique de dépôt des matériaux III-V sur Si, nous avons étudié l'hétéroépitaxie de Si sur III-V. Avec cette approche, une bonne qualité cristalline de Si déposé directement sur GaAs est obtenue grâce aux faibles contraintes thermiques et à l'absence de problèmes de polarité à l'interface. Nous avons fabriqué des cellules GaAs avec 20% d'efficacité et des jonctions tunnel atteignant 55A/cm^2 par dépôt MOVPE. Une augmentation du courant tunnel par exposition au plasma d'hydrogène a aussi été démontrée. Ces résultats de croissance, cellule et jonction tunnel, couplés aux techniques de report, valident les briques élémentaires pour atteindre une cellule tandem AlGaAs(MOVPE)/SiGe(PECVD) à haut rendement
This thesis focuses on epitaxial growth of Si and SiGe at low temperature (200°C) by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), and its application in thin film crystalline solar cells. Our goal is to gain insight into this unusual growth process, as well as to investigate the potential of such low temperaturedeposited material for single and multi-junction solar cells. First, we have proposed a one pump-down plasma process to clean out-of-the-box c-Si wafer surface and grow epitaxial layers of up to 8µm thick, without ultra-high vacuum, in a standard RF-PECVD reactor. By exploring the experimental parameters space, the link between layer quality and important physical variables, such as silane dilution, ion energy, or deposition pressure, has been confirmed. Both material and electrical properties were analyzed, and we found that epitaxial quality improves with film thickness. Furthermore, we could bring evidence of SiGe and Ge epitaxial growth under similar conditions. Then, with the whole process steps <200°C, we have achieved PIN heterojunction solar cells on highly doped substrates with 1-4µm epitaxial absorber, reaching 8. 8% efficiency (without light trapping) and 80. 5% FF. Replacing Si absorber by epitaxial Si0:73Ge0:27 resulted in 11% boost in Jsc. The use of an engineered wafer/epitaxial layer interface and stress enables easy lift-off: e. G. We successfully bonded 1. 5µm thick 10cm^2 epi-Si to glass. Additionally, we have considered the impact of photonic nanostructures on device properties. Together, the control of growth, transfer and advanced light trapping are paving the way toward highly efficient, ultrathin (<10µm) and low cost c-Si cells. Finally, in contrast with general trend of growing III-V semiconductors on Si, we have studied the hetero-epitaxial growth of Si on III-V. Good crystal quality was achieved by direct Si deposition on GaAs, thanks to reduced thermal load and suppressed polarity issues in this approach. Using MOCVD, we could build GaAs cells with 20% efficiency and III-V tunnel junctions reaching 55A/cm^2. Tunneling improvement upon H-plasma exposure was shown. Those results, combined with III-V layer lift-off, validate milestones toward high efficiency tandem AlGaAs(MOVD)/SiGe(PECVD) metamorphic solar cells

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Gerthoffer, Arnaud. "Propriétés mécaniques des cellules photovoltaïques à base de CIGS sur substrats en verre ultra-fin." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAI077/document.

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Abstract:

L’objectif de ces travaux est d’étudier et de développer des cellules solaires à base de couches minces de CIGS élaborées sur un substrat innovant : le verre ultra-fin. Ce matériau possède des propriétés avantageuses, liées notamment à sa résistance aux températures élevées, à sa légèreté, à son aptitude à bloquer l’humidité, à sa transparence et à une certaine flexibilité mécanique. Nous avons ici cherché à exploiter ces propriétés pour la fabrication de cellules CIGS légères et conformables. D’abord, nous montrons la faisabilité de cellules CIGS sur des substrats en verre ultra-fin de 100 mm d’épaisseur. Nous obtenons un rendement de 12,1 % en utilisant une électrode arrière en bicouche composée d’une couche de Mo pure et d’une couche contenant du sodium, ce qui constitue le record actuel pour la technologie CIGS sur verre ultra-fin. Nous montrons ensuite que les performances des cellules peuvent se détériorer sous l’effet de flexions mécaniques répétées avec un rayon de courbure de 5 cm, en partie en raison de la formation de fissures dans les cellules. Nous présentons ensuite une étude sur les propriétés mécaniques du Mo et du CIGS, réalisée à partir d’essais de nanoindentation. La dureté et le module de Young de ces deux couches sont reportés ainsi que, pour la première fois, la ténacité et les contraintes résiduelles du CIGS. Ces résultats sont ensuite utilisés pour calculer les contraintes générées dans le CIGS lors de la flexion des cellules. Enfin, nous proposons une structure bi-verre optimisée pour limiter les contraintes dans le CIGS en flexion
The goal of this work is to study and to develop CIGS thin-film solar cells on an innovative substrate: the ultra-thin glass. This material has advantageous properties, mainly attributed to its high temperature resistance, its lightweight, its barrier property against moisture, its transparency and its mechanical flexibility. Here we tried to use these properties for the fabrication of lightweight and conformable CIGS solar cells. First, we demonstrate the feasibility of CIGS solar cells on 100 mm-thick ultra-thin glass substrates. We reached 12.1 % efficiency by using a bilayer back contact consisting of a pure Mo layer and a sodium doped Mo layer, which is up to now the record efficiency for CIGS solar cells on ultra-thin glass substrate. Then we show that solar cell performances can deteriorate under cyclic bending fatigue conditions with a radius of curvature of 5 cm. This is partially explained by the formation of cracks in the cells. Then, we report on the mechanical properties of the Mo and the CIGS layers measured by nanoindentation. The hardness and the Young’s modulus of each layer is given and, for the first time, the toughness and the residual stresses of the CIGS. These results are then used to calculate the CIGS internal stresses when the cells are bent. Finaly, we propose a glass-glass structure optimized to lower the CIGS internal stresses under bending

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Froger, Vincent. "Couches minces de chalcogénures de zinc déposées par spray-CVD assisté par rayonnement infrarouge pour des applications photovoltaïques." Phd thesis, Paris, ENSAM, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00797548.

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Abstract:

Parmi les différentes cellules photovoltaïques existantes, les technologies à base de CIGS représentent aujourd'hui une alternative sérieuse à celles basées sur le silicium. De même, les technologies organiques émergent en vue d'applications sur le marché de la faible puissance. Afin d'être parfaitement concurrentielle, ces cellules doivent s'affranchir au maximum de la présence d'indium (surcoût) au sein de leurs structures (TCO, couche absorbante), ou de matériaux toxiques comme le CdS utilisé en tant que couche tampon. Les chalcogénures de zinc tels que le Zn1-xMgxO ou le ZnOzS1-z peuvent être employées à la place du CdS grâce à leurs propriétés semi-conductrices. En dopant le Zn1-xMgxO par un ou plusieurs atomes métalliques trivalents, on peut également créer des électrodes transparentes (TCO) pouvant substituer les électrodes traditionnelles à base d'indium (ITO). Les couches minces synthétisées au cours de ce travail ont été réalisées par spray-CVD, une technique de dépôt hybride et innovante utilisant un mode de chauffage radiatif. Les améliorations apportées au réacteur expérimental et les avantages qu'elles dégagent en font une alternative crédible aux techniques traditionnelles. Les couches de Zn1-xMgxO ainsi synthétisées exhibent de très bonnes propriétés, dont une énergie de gap facilement ajustable, une forte mobilité électronique et une très bonne transparence. De même, des couches de ZnS ont été réalisées par l'usage d'un précurseur original, permettant de s'affranchir du ZnCl2 (corrosif) couramment utilisé en spray pyrolyse. Les différents TCO étudiés ont montré de faibles résistivités (10-3 Ω.cm) et ont pu être testés dans des cellules solaires organiques en structures inverses.

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Gregori, Alberto. "Synthesis of Conjugated Polymers and Adhesive Properties of Thin Films in OPV Devices." Thesis, Pau, 2015. http://www.theses.fr/2015PAUU3028/document.

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Abstract:

La production d’énergie avec des cellules photovoltaïques organiques (OPV) est une des applications les plus prometteuses des semi-conducteurs organiques, en raison de leur compatibilité avec les substrats flexibles permettant des produits légers, peu chers et décoratifs. Pendant longtemps, poly(3-hexylthiophène) (P3HT) a été le polymère de choix dans l’OPV combiné au [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (PC61BM) comme accepteur. Toutefois, des recherches récentes ont porté sur des polymères avec meilleures absorption et processabilité, qui peuvent assurer des rendements et des durées de vie plus élevés. Des rendements de conversion en puissance (PCE) au-dessus de 11% ont récemment été démontrés. Cette thèse rapporte sur la synthèse et la caractérisation de deux séries de polymères dits à faible bande interdite, LBGs "push-pull" (ou donneur-accepteur), constitués de l'unité donneuse 4,4-bis(2-ethylhexyl)-5,5'-dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole (DTS) combinée au 3,6-dithiophén-2-yl-2,5-dihydro-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (DPP) ou au 5,7-di(thiényl)thiéno[3,4-b]pyrazines (DTP), comme unité acceptrice. Toutes les molécules et les polymères ont été caractérisés chimiquement et leur propriétés optoelectroniques, morphologiques et photovoltaïques ont été determinées. La série DTS-DPP a été choisie parce qu'elle est représentative d'un grand nombre de polymères LBG et a fourni un modèle facilement accessible pour évaluer l'importance de la chaîne latérale utilisée sur leur propriétés optoélectroniques et thermiques. Les premières études sur les dispositifs à base de DTS-DPP:PC61BM ont été menées, pour déterminer les propriétés photovoltaïques. Le meilleur dispositif permet d’obtenir un PCE de 1,7% avec JSC de 5,9 mA cm-2, VOC de 0,54 V et FF de 0,58. La série DTS-DTP a été choisie pour la stabilité chimique élevée des deux unités et pour la facilité de substitution des groupes latéraux. La polymérisation a partiellement abouti, en donnant seulement des oligomères. La caractérisation chimique a pu être effectuée, mais leur application dans l’OPV n'a pas été explorée. En termes de stabilité, les mécanismes de défaillance électrique des dispositifs OPV ont été étudiés, montrant une méconnaissance de leur stabilité mécanique. Les contraintes caractéristiques de chaque couche mince présentes dans les cellules solaires organiques constituent la force motrice à l’origine de la délamination des interfaces faibles ou même leur decohésion, causant une perte de l'intégrité et des performances du dispositif. Une technique pour sonder les couches ou les interfaces fragiles dans les cellules solaires polymère:fullerene est présentée. Elle a été développée par l'établissement d'un nouveau set-up pour le test pull-off, développé en utilisant un dispositif à géométrie inverse, de structure verre/ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/PEDOT:PSS/Ag. Les dispositifs délaminés ont montré que le point le plus faible est localisé à l'interface AL/HTL, en bon accord avec la littérature. La technique a été étendue en variant les deux couches sensibles, en utilisant differents polymères LBG pour l’AL (PSBTBT et PDTSTzTz) en combinaison avec deux formulations de PEDOT:PSS, CleviosTM HTL Solar à base d'eau et un nouveau HTL Solar 2 à base de solvant organique. Une différence entre la contrainte à la rupture des dispositifs avec différentes combinaisons de AL et HTL est visible, suggérant différents chemins de fracture, tel que confirmé par la caractérisation de surface et qui pourrait être corrélée avec la différence de comportement de la couche active avec les deux formulations de PEDOT:PSS. Une autre voie adoptée, a été d’introduire une couche d’interface de copolymère à blocs amphiphile afin d'améliorer la compatibilité des deux couches. Cette stratégie n'a pas abouti et la nouvelle architecture présente une adhésion réduite. La poursuite de l’amélioration des procédés de fabrication de ces dispositifs pourrait faire de cette nouvelle architecture, une alternative viable
Organic photovoltaic (OPV) devices are one of the most promising applications of organic semiconductors due to their compatibility with flexible plastic substrates resulting in light weight, inexpensive and decorative products. For a long time poly(3-hexylthiophene) (P3HT) has been the polymer of choice in OPV devices in combination with [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methylester (PC61BM) as acceptor. However, recent research has focused on polymers with improved absorbance and processability that can ensure higher efficiencies and longer lifetimes (Low BandGap polymers (LBGs)). This has been fully demonstrated with a power conversion efficiency (PCE) above 11%. This thesis reports synthesis and characterization of two series of so-called “push-pull” (or donor-acceptor) LBGs based on the donor unit 4,4′-bis(2-ethylhexyl)-5,5’-dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole (DTS) and either 3,6-dithiophen-2-yl-2, 5-dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (DPP) or 5,7-di(thienyl)thieno[3,4-b]pyrazines (DTP), as acceptor unit. All π-conjugated molecules and polymers were characterized by chemical investigation and their optoelectronic, morphological, and photovoltaic properties are reported. The DTS-DPP series was chosen because representative of a large number of LBG polymers and provided an easily accessible and useful template to discover the importance of the type of side-chain used on the polymer optoelectronic and thermal properties. First studies on DTS-DPP:PC61BM devices have been conducted, in order to investigate any effect on their photovoltaic properties. The best device obtained had a PCE of 1.7% with JSC of 5.9 mA•cm-2, VOC of 0.54 V and FF of 0.58. The DTS-DTP series was chosen for the high stability of the two units and for the ease of substitution of the side-groups. The synthesis was partially successful and only oligomers were obtained. Nonetheless, chemical characterization was performed but their application in OPV was not explored. In terms of device stability, the electrical failure mechanisms in OPV devices have been investigated, while little is known about their mechanical stability. The characteristic thin film stresses of each layer present in organic solar cells, in combination with other possible fabrication, handling and operational stresses, provide the mechanical driving force for delamination of weak interfaces or even their de-cohesion, leading to a loss of device integrity and performance. A technique to probe weak layers or interfaces in inverted polymer:fullerene solar cells is presented. It was developed by establishing a new set-up for the pull-off test. The technique was developed using inverted device, with the structure glass/ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/PEDOT:PSS/Ag. The delaminated devices showed that the weakest point was localized at the active layer/hole transporting layer interface, in good agreement with the literature. The technique was extended varying both sensitive layers, using different p-type low bandgap (co)polymers for the active layer (PSBTBT and PDTSTzTz) in combination with two different PEDOT:PSS formulations, the water based CleviosTM HTL Solar and a new organic solvent based HTL Solar 2. The half-devices produced upon destructive testing have been characterized by contact angle measurement, AFM and XPS to locate the fracture point. A difference in the stress at break for devices made with different combinations of active and hole transporting layers is visible, suggesting different fracture paths, as confirmed by surface characterization and could be correlated to the different behavior of the active layer with the two PEDOT:PSS formulations. Another solution adopted, it had been the introduction of amphiphilic block-copolymer interlayer to enhance the compatibility of the two layers. This strategy was not successful and the new architecture showed reduced adhesion strength. Further development of device processing could make this new architecture a viable alternative

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Tosoni, Olivier. "Conception, élaboration et intégration d'électrodes transparentes optimisées pour l'extraction des charges dans des dispositifs photovoltaïques." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00955867.

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Abstract:

Les oxydes transparents conducteurs (TCO) ont la rare propriété de concilier haute transparence et conductivité élevée, ce qui en fait des matériaux-clés pour de nombreuses applications requérant des électrodes transparentes comme les cellules photovoltaïques, les diodes organiques et les écrans plats. Avec une résistivité de l'ordre de 10^(-4) ohm.cm et une transmittance de 85% dans le domaine visible, l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) est le matériau privilégié. Toutefois, sa fragilité, son instabilité aux procédés plasma et son coût croissant du fait de sa haute teneur en indium sont autant de raisons de rechercher des matériaux alternatifs. Cette thèse a pour but de comprendre les points clefs permettant d'améliorer les performances d'une électrode transparente en oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) sur les plans optique, électrique et au niveau des interfaces ; des cellules photovoltaïques en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) servent de dispositif-test à cette étude. Réalisées par pulvérisation cathodique magnétron sous des conditions de dépôt variées, les couches minces d'AZO obtenues ont une structure microcristalline et, pour des paramètres déterminés, des performances optoélectroniques approchant celles de l'ITO. Un modèle adapté d'après la théorie de Drude a permis de rendre compte du lien entre transparence et conduction et de confirmer la saturation en porteurs du matériau. L'efficacité d'une électrode au sein d'un dispositif dépend également très fortement de l'interface entre celle-ci et l'absorbeur, les porteurs devant être extraits rapidement pour ne pas se recombiner. Quelques voies ont été explorées pour réduire la barrière de potentiel entre le silicium amorphe et l'électrode tout en favorisant l'efficacité optique des cellules. Il ressort que l'insertion d'une couche tampon d'oxyde de titane ou de tungstène permet d'obtenir un gain notable dans les performances des cellules.

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Alkarsifi, Riva. "Synthesis and characterization of composite nanomaterials as interfacial layers in organic solar cells." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0433.

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Abstract:

Les cellules solaires organiques sont dans le domaine photovoltaïque l'une des approches les plus prometteuses et cette thèse traite de la synthèse chimique de nouveaux nanocristaux à base de métaux et de l'incorporation de ces matériaux, par voie liquide, comme couches de transport dans les cellules solaires. L’une des stratégies pour améliorer les performances des dispositifs consiste en l'incorporation de couches interfaciales appropriées.Celles-ci jouent plusieurs rôles et sont le plus souvent préparées par des méthodes de dépôt sous vide comme l'évaporation thermique. Cependant, ces méthodes nécessitent des équipements complexes, ce qui limite leur utilisation pour la fabrication de dispositifs de grande surface à faible coût. Par conséquent, l’approche d’une utilisation de matériaux interfaciaux par voie liquide a attiré beaucoup d'attention.Au cours de ces travaux, nous avons focalisé les études des couches de transport de trous sur la synthèse de NiOx et de NiOx dopés au Li, Cu et Sn et avons pu modifier le solvant de la dispersion depuis l'eau vers l’isopropanol. Un dopage par un composé moléculaire a ensuite été utilisé pour améliorer le travail de sortie, permettant d’obtenir une efficacité de 7,4% avec les cellules solaires de structure normale. En structure inverse, une efficacité de 7,9% a été atteinte.En ce qui concerne les études des couches de transport d’électron, trois matériaux hybrides ont ainsi été synthétisés et cristallisés par évaporation lente puis solubilisés dans des solutions à base d'alcool, avant d'être utilisés dans des cellules solaires en structure normale et inverse, permettant ainsi d’obtenir respectivement 8,19% et 6,7% d'efficacité
This thesis deals with the chemical synthesis of new metal-based nanocrystals and the incorporation of these solution processed materials as hole transport layers (HTLs) and electron transport layers (ETL) in Organic Solar Cells (OSCs). Several strategies were applied to increase the efficiency of the OSCs such as the incorporation of suitable interfacial layers. Interfacial layers were mainly prepared through vacuum deposition methods such as thermal evaporation, however, they require complex equipment, which limits their use in low-cost, large area device fabrications. Therefore, the solution processed interfacial materials have attracted significant attention to overcome the problems of vacuum depositions. During this work, we focused the HTL studies on the synthesis of NiOx nanocrystals. We synthesized pristine NiOx as well as Li, Cu and Sn doped NiOx nanoparticles at different doping levels. By following a specific strategy, we were able to transform the dispersion from water into isopropanol that can be easily deposited onto the active layer. Molecular doping was used to improve the work function using F4-TCNQ molecule. After optimizations, 7.4% and 7.9% efficiencies were obtained with the regular and the inverted device structures, respectively. As for the ETL studies, we focused this work on the development of a new class of organic-inorganic hybrid materials. Three types of antimony-based hybrid materials were synthesized and crystallized using a slow evaporation method and then solubilized as nanocrystals in alcohols, before being used in both regular and inverted devices giving 8.19% and 6% efficiencies, respectively, for the best working hybrid material

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Amrani, Rachid. "Croissance et propriétés des couches minces de silicium hydrogéné déposées au voisinage de la zone de transition amorphe nanocristalline par PECVD à partir d’un plasma de silane dilué dans un gaz d’argon." Thesis, Montpellier 2, 2013. http://www.theses.fr/2013MON20058.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension des propriétés optoélectroniques des couches minces de silicium hydrogénée, une étude détaillée a été effectuée. Les échantillons ont été déposés par 13,56 MHz PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) à partir du silane dilué avec l'argon (96 %). La température du substrat a été fixée à 200 °C. L'influence des paramètres de dépôts sur les propriétés optiques des échantillons a été étudiée par spectroscopie UV -Vis -NIR. L'évolution structurelle a été étudiée par spectroscopie Raman, TEM, AFM, FTIR et par diffraction des rayons X (XRD). La déposition des couches intrinsèques a été faite dans cette étude dans le but d'obtenir la transition de l'état amorphe à la phase cristalline des matériaux. La pression de dépôt varie de 400 mTorr à 1400 mTorr et la puissance de 50 à 250 W. La caractérisation structurelle montre qu'au-delà de 160 W, nous avons observé une transition amorphe nanocristalline, avec une augmentation de la fraction cristalline en augmentant la puissance et la pression. Les couches sont déposées avec des vitesses de dépôt relativement élevées (3.5 - 8 Å/s), ce qui est très souhaitable pour la fabrication des cellules photovoltaïques. La vitesse de dépôt augmente avec l'augmentation de la puissance et de la pression. Des différentes fractions cristallines et tailles des cristallites ont été obtenues en contrôlant la pression et la puissance. Ces modifications de structure ont été corrélées avec la variation des propriétés optiques et électriques des couches minces déposées
The main objective of this thesis is to contribute to the understanding of the optoelectronics properties of hydrogenated nanocrystalline silicon thin films, a detailed study has been conducted. The samples were deposited by 13.56 MHz PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) of silane argon mixture. The argon dilution of silane for all samples studied was 96% by volume. The substrate temperature was fixed at 200 °C. The influence of depositions parameters on optical proprieties of samples was studied by UV-Vis-NIR spectroscopy. The structural evolution was studied by Raman spectroscopy, TEM, AFM, FTIR and X-ray diffraction (XRD). Intrinsic-layer samples depositions were made in this experiment in order to obtain the transition from the amorphous to crystalline phase materials. The deposition pressure varied from 400 mTorr to 1400 mTorr and the RF power from 50 to 250 W. The structural evolution studies show that beyond 160 W, we observed an amorphous-nanocrystalline transition, with an increase in crystalline fraction by increasing RF power and working pressure. Films near the amorphous to nanocrystalline transition region are grown at reasonably high deposition rates (3.5- 8 Å/s), which are highly desirable for the fabrication of cost effective devices. The deposition rate increases with increasing RF power and process pressure. Different crystalline fractions and crystallite size can be achieved by controlling the process pressure and RF power. These structural changes are well correlated to the variation of optical and electrical proprieties of the thin films

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Vandamme, Nicolas. "Nanostructured ultrathin GaAs solar cells." Thesis, Paris 11, 2015. http://www.theses.fr/2015PA112111/document.

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Abstract:

L’amincissement des cellules solaires semi-conductrices est motivé par la réduction des coûts de production et l’augmentation des rendements de conversion. Mais en deçà de quelques centaines de nanomètres, il requiert de nouvelles stratégies de piégeage optique. Nous proposons d’utiliser des concepts de la nanophotonique et de la plasmonique pour absorber la lumière sur une large bande spectrale dans des couches ultrafines de GaAs. Nous concevons et fabriquons pour ce faire des structures multi-résonantes formées de réseaux de nanostructures métalliques. Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de confiner la lumière dans une couche de 25 nm de GaAs à l’aide d’une nanogrille bidimensionnelle pouvant servir de contact électrique en face avant. Nous analysons numériquement les modes résonants qui conduisent à une absorption moyenne de 80% de la lumière incidente entre 450 nm et 850 nm. Ces résultats sont validés par la fabrication et la caractérisation de super-absorbeurs ultrafins multi-résonants. Dans un second temps, nous appliquons une approche similaire dans le but d’obtenir des cellules photovoltaïques dix fois plus fines que les cellules GaAs records, avec des absorbeurs de 120 nm et 220 nm seulement. Un miroir arrière nanostructuré en argent, associé à des contacts ohmiques localisés, permet d’améliorer l’absorption tout en garantissant une collecte optimale des porteurs photo-générés. Nos calculs montrent que les densités de courant de court-circuit (Jsc) dans ces structures optimisées peuvent atteindre 22.4 mA/cm2 et 26.0 mA/cm2 pour les absorbeurs d’épaisseurs respectives t=120 nm et t=220 nm. Ces performances sont obtenues grâce à l’excitation d’une grande variété de modes résonants (Fabry-Pérot, modes guidés,…). En parallèle, nous avons développé un procédé de fabrication complet de ces cellules utilisant la nano-impression et le transfert des couches actives. Les mesures montrent des Jsc records de 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) et 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). Ces résultats ouvrent la voie à l’obtention de rendements supérieurs à 20% avec des cellules solaires simple jonction d’épaisseur inférieure à 200 nm
The thickness reduction of solar cells is motivated by the reduction of production costs and the enhancement of conversion efficiencies. However, for thicknesses below a few hundreds of nanometers, new light trapping strategies are required. We propose to introduce nanophotonics and plasmonics concepts to absorb light on a wide spectral range in ultrathin GaAs layers. We conceive and fabricate multi-resonant structures made of arrays of metal nanostructures. First, we design a super-absorber made of a 25 nm-thick GaAs slab transferred on a back metallic mirror with a top metal nanogrid that can serve as an alternative front electrode. We analyze numerically the resonance mechanisms that result in an average light absorption of 80% over the 450nm-850nm spectral range. The results are validated by the fabrication and characterization of these multi-resonant super-absorbers made of ultrathin GaAs. Second, we use a similar strategy for GaAs solar cells with thicknesses 10 times thinner than record single-junction photovoltaic devices. A silver nanostructured back mirror is used to enhance the absorption efficiency by the excitation of various resonant modes (Fabry-Perot, guided modes,…). It is combined with localized ohmic contacts in order to enhance the absorption efficiency and to optimize the collection of photogenerated carriers. According to numerical calculations, the short-circuit current densities (Jsc) can reach 22.4 mA/cm2 and 26.0 mA/cm2 for absorber thicknesses of t=120 nm and t=220 nm, respectively. We have developed a fabrication process based on nano-imprint lithography and on the transfer of the active layers. Measurements exhibit record short-circuit currents up to 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) and 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). These results pave the way toward conversion efficiencies above 20% with single junction solar cells made of absorbers thinner than 200 nm

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Lee, Heejae. "Analysis of Current-Voltage Hysteresis and Ageing Characteristics for CH3NH3PbI3-xClxBased Perovskite Thin Film Solar Cells." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX009/document.

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Abstract:

Les perovskites organiques-inorganiques en halogénures de plomb sont des matériaux très prometteurs pour la prochaine génération de cellules solaires avec des avantages intrinsèques tels que leur faible coût de fabrication (grande disponibilité des matériaux de base et leur mise en œuvre à basse température) et leur bon rendement de conversion photovoltaïque. Cependant, les cellules solaires pérovskites sont encore instables et montrent des effets d'hystérésis courant-tension délétères. Dans cette thèse, des résultats de l’analyse physique de couches minces de pérovskite à base de CH3NH3PbI3-xClx et de cellules solaires ont été présentés. Les caractéristiques de transport électrique et les processus de vieillissement ont été étudiés avec différentes approches.Dans une première étape, la synthèse du matériau pérovskite a été optimisée en contrôlant les conditions de dépôt des films en une seule étape telles que la vitesse de rotation (6000 rpm) de la tournette et la température de recuit des films (80 °C). Dans un second temps, des cellules solaires perovskites à base de CH3NH3PbI3-xClx ont été fabriquées en utilisant la structure planaire inversée et caractérisées optiquement et électriquement.Grace à l’utilisation de la spectroscopie optique à décharge luminescente (GDOES), un déplacement des ions halogénures a été observé expérimentalement et de façon directe sous l’application d’une tension électrique. Une longueur de diffusion ionique de 140 nm et un rapport de 65% d'ions mobiles ont été déduits. Il est montré que l'hystérésis courant-tension dans l'obscurité est fortement affectée par la migration des ions halogénures provoquant un écrantage substantiel du champ électrique appliqué. Nous avons donc trouvé sous obscurité un décalage de la tension à courant nul jusque 0,25 V et un courant de fuite jusque 0,1 mA / cm2 en fonction des conditions de mesure. Grâce aux courbes courant-tension en fonction de la température, nous avons déterminé la température de transition de la conductivité ions/électrons à 260K et analysé les résultats expérimentaux en utilisant l'équation de Nernst- Einstein donnant une énergie d'activation de 0.253 eV pour les ions mobiles.Enfin, le processus de vieillissement de la cellule solaire a été étudié avec des mesures optiques et électriques. Nous avons déduit que le processus de vieillissement apparaît d'abord à la surface des cristaux de pérovskite ainsi qu’aux joints de grains. Les mesures GDOES nous indiquent que les caractéristiques électriques des cellules pérovskites sont perdues par une corrosion progressive de l'électrode supérieure en argent causée par la diffusion des ions iodures
Organic-inorganic lead halide perovskites are very promising materials for the next generation of solar cells with intrinsic advantages such as a low-cost material due to the availability of source materials and low-temperature solution processing as well as a high power conversion efficiency of the sunlight. However, perovskite solar cells are still unstable and show deleterious current-voltage hysteresis effects. Inthis thesis, analyses of CH3NH3PbI3-xClx based perovskite thin films and solar cells are presented. The electrical transport characteristics and the ageing processes are investigated using different approaches.The synthesis of the halide perovskite materials is optimized in a first step by controlling the deposition conditions such as annealing temperature (80°C) and spinning rate (6000 rpm) in the one step-spin-casted process. CH3NH3PbI3-xClx based perovskite solar cells are then fabricated in the inverted planar structure and characterized optically and electrically in a second step.Direct experimental evidence of the motion of the halide ions under an applied voltage has been observed using glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES). Ionic diffusion length of 140 nm and ratio of mobile iodide ions of 65 % have been deduced. It is shown that the current-voltage hysteresis in the dark is strongly affected by the halide migration which causes a substantial screening of the applied electric field. Thus we have found a shift of voltage at zero current (< 0.25 V) and a leakage current (< 0.1 mA/cm2) in the dark versus measurement condition. Through the current-voltage curves as a function of temperature we have identified the freezing temperature of the mobile iodides at 260K. Using the Nernst-Einstein equation we have deduced a value of 0.253 eV for the activation energy of the mobile ions.Finally, the ageing process of the solar cell has been investigated with optical and electrical measurements. We deduced that the ageing process appear at first at the perovskite grain surface and boundaries. The electrical characteristics are degraded through a deterioration of the silver top-electrode due to the diffusion of iodides toward the silver as shown by GDOES analysis

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Bottois, Clément. "Nanoparticules pour la réalisation de couches de transport de trous appliquées au photovoltaïque organique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAI025/document.

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Abstract:

Dans les cellules photovoltaïques organiques, le matériau utilisé pour le transport de trous entre la couche active et l'électrode, est généralement un polymère dopé, dont la stabilité peut être problématique. L'objectif de cette thèse a été de développer des matériaux inorganiques, a priori plus stables, pour remplacer les couches de polymères de transport de trous, tout en restant compatible avec les méthodes de dépôts par voie liquide. L'utilisation de nanoparticules dispersées en solution a été choisie car cela permet le dépôt à basse température, sans nécessité de conversion vers une couche fonctionnelle, contrairement aux voies sol-gel. Le premier objectif de ce travail a donc été l'obtention de nanoparticules d'oxyde de tungstène, hydraté ou non, et de thiocyanate de cuivre. Une synthèse de chauffage assisté par micro-ondes a été utilisée pour l'oxyde de tungstène, permettant d'obtenir des nanoparticules de 30 nm et monodisperses. Pour le thiocyanate de cuivre, il a été choisi de travailler par broyage. Les paramètres du broyage ont été optimisés pour obtenir des particules avec la plus faible distribution en taille possible. Le dépôt de ces dispersions de nanoparticules a permis l'obtention de couches minces et la caractérisation de leurs propriétés optoélectroniques, et notamment du travail de sortie, qui s'est révélé adapté pour une utilisation en dispositif. Des cellules solaires organiques de structures standard et inverse incorporant ces matériaux ont ensuite été réalisées. De bonnes performances ont été obtenues avec une couche active à base de P3HT, notamment en structure inverse où la possibilité d'utiliser le thiocyanate de cuivre a été démontrée pour la première fois. Le suivi des performances sous éclairement et atmosphère contrôlée a également été effectué et a montré un vieillissement rapide pour ces cellules comparées aux cellules de référence à couche de transport de trous polymère
In organic solar cells, a doped polymer is the most used material for hole transport between the active layer and the electrode, but his stability can be an important issue. The goal of this PhD thesis was to develop inorganic materials, expected to be more stable, in order to replace polymer based hole transporting layers. Another requirement was to keep the compatibility with solution-based deposition methods. The target was to develop nanoparticle dispersions, deposited at low temperature and giving directly a functional layer, without the need of further treatments which are usually required via sol-gel processes. A first objective of the present work was thus the elaboration of nanoparticles of tungsten oxide, hydrated or non-hydrated, and copper thiocyanate. A microwave-assisted heating synthesis has been used for tungsten oxide, leading to mono-dispersed particles around 30 nm. Concerning copper thiocyanate, a ball milling technique has been chosen. The process parameters have been optimized to obtain nanoparticles to narrow the size distribution as much as possible. The deposition of the nanoparticles has allowed the formation of thin layers and the characterization of their optoelectronic properties, such as work function, which was shown to be a relevant parameter for a use in devices. Organic solar cells with standard or inverted structures have been fabricated using these materials as a hole transporting layer. Good photovoltaic performances have been obtained, especially in the inverted structure, in which the possibility to use copper thiocyanate has been demonstrated for the first time. Ageing experiments under light in a controlled atmosphere have also been carried out and have shown a rapid drop in performances for these cells compared to cells incorporating polymer based hole transport layers

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Aliouat, Mouaad Yassine. "Etude structurale, mécanique et optique des matériaux polymères pour le photovoltaïque étirable." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2020. http://theses.univ-amu.fr.lama.univ-amu.fr/201117_ALIOUAT_890hbteq235slkzy966adclc157r_TH.pdf.

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Abstract:

Les cellules photovoltaïques ont connu un développement important en termes d’applications grâce à l’utilisation des films minces en polymères π-conjugués comme matériaux actifs, ce qui a généré une nouvelle famille de cellules dites «organiques». Ainsi, l’association de ces films minces organiques avec des supports étirables ouvre de nouvelles applications dans tous les secteurs. Cependant, le comportement mécanique des polymères en films minces ou dans les empilements est encore mal connu, ainsi que l’impact des déformations sur les propriétés électriques ou optiques. Ce travail de thèse a porté dans un premier temps sur l’amélioration de la qualité des films minces polymères, afin d’étudier leurs propriétés structurales, optiques et mécaniques. Nous avons utilisé deux techniques de caractérisation qui se sont avérées complémentaires: la diffraction des rayons X au synchrotron, pour connaître les propriétés structurales des films minces, l’ellipsométrie spectroscopique pour extraire leurs indices optiques. Les résultats obtenus ont montré une très bonne corrélation entre les paramètres de structure mesurés par la DRX et les modèles ellipsométriques. Une méthodologie originale a ensuite été développée afin d’effectuer des mesures in-situ de DRX sous traction mécanique couplées avec des observations en microscopie optique. Nous avons observé que les chaînes de polymère sont en compression dans la direction perpendiculaire à la traction et mieux orientées, jusqu’à une valeur critique d’allongement, au-delà de laquelle l’énergie élastique diminue au bénéfice de la propagation de fissures, ce qui engendre une relaxation de la contrainte et une dégradation de l’orientation
Solar cells have shown tremendous progress in terms of applications thanks to the use of π-conjugated semi-conducting polymer layers as active materials. This has generated a new family of photovoltaic cells called ‘organic’. Moreover, using stretchable supports opens many new nomadic applications in all fields. However, there is still a lack of understanding of the behavior of the electrical and the optical properties of polymer layers under mechanical load. This work is aiming firstly at improving the quality of polymer layers. Then at studying their structural, optical and mechanical properties. For that purpose, two characterization methods have been used: X-ray diffraction at synchrotron is used to probe the structural properties of polymer layers and to know how polymer chains are oriented, spectroscopic ellipsometry is used to extract their optical indices. The obtained results revealed that the structural properties measured by XRD are in good correlation with the optical properties extracted from the optical measurements. In addition to that, we have developed a novel methodology for in-situ XRD measurements coupled with optical microscopic observations to measure the structural parameters of layers and to probe the mechanical behavior of polymer chains under uniaxial tensile load. It is observed that until a given value of stretching, the polymer chains are in compression stress under tensile strains, and they become more oriented. Beyond this value of stretching, the polymer order declined and the compressive stress was relaxed. This relaxation is explained by the increased number of cracks spreading over the entire film as observed using optical microscopy

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Perraudeau, Amélie. "Couches mésoporeuses de TiO2 déposés par PECVD à la pression atmosphérique en vue d'applications photovoltaïques." Thesis, Limoges, 2019. http://www.theses.fr/2019LIMO0092.

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Abstract:

Un système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma doté d’une torche à injection axiale (TIA) a été choisi pour l’élaboration des films de TiO2. Un mode de dépôt dynamique, i.e. en déplaçant le substrat face au plasma, a été mis en place dans l’objectif de recouvrir des surface de l’ordre du centimètre carré. En vue d’utiliser les films de TiO2 en tant que couche active au sein de DSSCs, une structure mésoporeuse colonnaire et cristallisée sous forme anatase doit être idéalement obtenue. L’analyse du plasma, sans et avec le précurseur du titane, par spectroscopie d’émission optique a permis de mettre en évidence les flux de chaleur importants pouvant être transférés au substrat par le jet de plasma, avec des températures de gaz comprises entre 3000 et 4000 K, de 5 à 15 mm au-dessus de la buse. L’évaluation des densités relatives d’espèces atomiques et notamment de l’azote, de l’oxygène et du titane, combinée à l’étude de l’influence des conditions opératoires sur la microstructure du film a permis de mettre en évidence différents mode de croissance des couches de TiO2. Grâce à ces observations, un diagramme de microstructure de la couche de TiO2 déposée sur un substrat en silicium a été construit pour prédire plus facilement la morphologie et le caractère cristallin des films en fonction de la puissance microonde et de la distance torche-substrat. Dans certaines conditions, il est possible d’obtenir une structure correspondant au cahier des charges de la couche active des DSSCs. Le transfert de cette microstructure sur des substrats verre/FTO, faits pour l’application photovoltaïque, a nécessité une adaptation de la puissance micro-onde et de la distance torche-substrat de travail. La microstructure obtenue a permis de valider le diagramme de microstructure établi dans ces travaux, malgré l’obtention d’une couche ne correspondant pas au cahier des charges. Finalement, la fabrication de cellules solaires pérovskite a été initiée en exploitant le dépôt de TiO2 réalisé sur substrat en silicium
An atmospheric pressure chemical vapor deposition process equipped with an axial injection torch was chosen for the TiO2 thin films synthesis. A dynamic deposition mode, i.e. moving the substrate holder in front of the plasma jet, was developed to cover a square centimeter surface. Towards the integration of the titania films as the active layer in DSSCs, a porous columnar structure crystallized under the anatase phase was required. The optical emission spectroscopy analysis of the discharge, without and with titanium precursor, provided information about the huge thermal flux transferred to the substrate by the plasma, thanks to gas temperature from 3000 to 4000 K, at distances between 5 and 15 mm from the nozzle. The atomic relative densities estimation, mainly of nitrogen, oxygen and titanium, combined with the process parameters influence on the film microstructure highlighted several growth mechanisms. From these results, a microstructure diagram was built to predict more easily the morphology and the crystallinity of the TiO2 films deposited on silicon substrates, as a function of microwave power and torch-substrate distance. Optimized conditions were found for the synthesis of thin films matching the DSSC active layer specifications. The process parameters were then adapted to replicate the microstructure on glass/FTO substrates, confirming the microstructure diagram, even though the thin film did not fulfill the requirements. Perovskite solar cells were finally made to investigate the interest of the layers developed on silicon substrates

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Pastorelli, Francesco. "Light enhancements in nano-structured solar cells." Doctoral thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, 2013. http://hdl.handle.net/10803/145638.

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Abstract:

In this century some of our main issues are energy shortage and pollution. This work will briefly describe these problems, proposing a plan of action combining energy saving and different sustainable energy sources. Within different types of renewable energy sources, solar energy is the most abundant one. To make solar energy a more sustainable and cost effective technology we focus on enhancing the optical characteristics of thin film solar cells. In this category, organic solar cells are good options for their exiguous amount of material and the low energy needed for the fabrication process. This technology can be lightweight, transparent, flexible and conformal in order to be applied to and integrated in various architectural solutions and consumer electronics. After a study of the physics of such devices and on how to optically enhance their performances, we will show some examples where we theoretically and experimentally collect the solar radiation with optical antennas. We report, for the first time in literature, a nanogap antenna that efficiently couples the light in our active material thin film. Finally, we elaborate on the concept of building integrated photovoltaics introducing some examples of solar façades. Based on our research, we are able to design and fabricate an organic transparent solar cell with a visible transparency above 20% and an optically enhanced photon-electron conversion efficiency remarkably similar to its opaque equivalent.
En el presente siglo, algunas de las prioridades son la escasez de la energía y la contaminación. Este trabajo describirá brevemente estos problemas y propondrá un plan de acción que combina el ahorro energético con diferentes fuentes sostenibles de energía. Dentro de estas fuentes de energía renovables, la energía solar es la más abundante. Con el objetivo de hacer la tecnología solar más sostenible y eficiente económicamente nos concentramos en aumentar las características ópticas en celdas solares de película delgada. Dentro de esta categoría, las celdas solares orgánicas son una buena opción porque su desarrollo requiere bajas cantidades de materiales y su fabricación es de baja energía embebida. Adicionalmente, esta tecnología puede ser liviana, transparente, flexible mecánicamente y modular para ser aplicada e integrada en varias soluciones arquitectónicas y de electrónica de consumo. Luego de estudiar los procesos físicos en tales dispositivos y de determinar las metodologías para aumentar ópticamente sus desempeños, mostraremos algunos ejemplos donde teórica y experimentalmente se colecta la radiación solar mediante antenas ópticas. Se reporta por primera vez, una antena de nanogap que acopla eficientemente la luz en la capa activa de la celda solar. Finalmente, se desarrolla el concepto de tecnología fotovoltaica integrada en edificaciones tras introducir algunos ejemplos de fachadas solares. Basados en nuestra investigación, fue posible diseñar y fabricar una celda solar orgánica transparente cuya transparencia en el rango visible estuvo por encima del 20% y una eficiencia de conversión foton-electron aumentada ópticamente que resulto notoriamente similar a la celda solar orgánica opaca equivalente.
La rareté grandissante des ressources en énergie associée à une augmentation de la pollution font partie des enjeux plus importants de ce siècle. Cette thèse décrira brièvement ces deux problématiques et proposera un plan d’action combinant économie d’énergie et diversité des sources d’énergies renouvelables. Parmi les formes d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire est la plus abondante. Pour faire de l’énergie solaire une ressource plus durable et plus rentable économiquement, nous proposons d’amplifier les propriétés optiques de cellules solaires en couches minces. Dans cette catégorie, les cellules solaires organiques représentent un choix pertinent de part la faible quantité de matériau nécessaire ainsi que la faible énergie nécessaire au procédé de fabrication. Cette technologie peut être légère, transparente et flexible de sorte qu’elle peut être utilisée dans différentes solutions architecturales s’adaptant à des produits électroniques pour le grand publique. Suivra la théorie sous jacente à ces dispositifs et l’explication de la manière dont leurs performances sont améliorées. Nous présenterons quelques exemples où l’on collecte la radiation solaire avec une antenne optique. Ainsi, nous faisons la toute première démonstration d’une antenne auto-assemblée qui couple efficacement la lumière dans le matériau constituant la couche mince que nous utilisons. Finalement, nous développons le concept de cellules photovoltaïques intégrées en présentant différents cas de façades solaires. Ces travaux nous ont permis de concevoir et de fabriquer une cellule solaire organique transparente avec une transparence dans le visible de 20% et une efficacité de conversion photon-électron améliorée, similaire à une cellule équivalente opaque.
La difficile reperibilità di risorse energetiche e l’inquinamento sono alcuni dei problemi più importanti di questo secolo. In questo lavoro saranno presentati brevemente questi temi proponendo un piano d’azione che abbini il risparmio energetico alle differenti fonti di energia rinnovabili. Nell’insieme delle fonti energetiche rinnovabili l’energia solare è senz’altro la più abbondante. Con l’obbiettivo di rendere lo sfruttamento di tale energia più sostenibile ed economicamente vantaggioso, ci premuriamo di migliorare le caratteristiche ottiche di celle fotovoltaiche a film sottile. In questa categoria utilizziamo, tra le diverse opzioni, le celle solari organiche in quanto la loro fabbricazione richiede una quantità di materiale minimo e un basso consumo energetico. Inoltre questi tipi di dispositivi possono essere leggeri, trasparenti, flessibili e conformabili alle superfici su cui sono applicati. Questa è una tecnologia che potrebbe essere implementata e integrata in varie soluzioni architettoniche o nell’ elettronica di consumo. Dopo aver presentato i principi fisici di tali dispositivi e determinato le metodologie ottiche per aumentarne le prestazioni, vengono illustrati alcuni esempi dove, teoricamente e sperimentalmente, riusciamo a intercettare la radiazione solare con antenne ottiche. Riportiamo, per la prima volta in letteratura, un’antenna ottica con nano-gap che accoppia efficacemente la luce solare nel nostro materiale attivo a film sottile. Nell’ultima parte sviluppiamo il concetto di tecnologia solare integrata negli edifici, introducendo alcuni esempi di facciate solari. Basando il design sulla nostra ricerca, è possibile realizzare una cella solare fotovoltaica organica trasparente, con una trasparenza superiore del 20% e un’ efficienza di conversione fotone-elettrone migliorata grazie all’ottica, che risulta molto vicina all’ equivalente cella fotovoltaica organica non trasparente.

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Dai, Letian. "Silicon nanowire solar cells with μc-Si˸H absorbers for tandem radial junction devices." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS303.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous avons fabriqué des cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium avec du silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H) comme absorbeur, par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à basse température (PECVD). Pour contrôler la densité de nanofils sur les substrats, nous avons utilisé des nanoparticules (NP) de dioxyde d'étain (SnO₂) d'un diamètre moyen de 55 nm, disponibles dans le commerce, comme précurseur du catalyseur Sn pour la croissance des nanofils de silicium. La distribution des nanoparticules de SnO₂ sur le substrat a été contrôlée par centrifugation et dilution du colloïde de SnO₂, en combinaison avec la fonctionnalisation du substrat. Par la suite, le SnO₂ est réduit en Sn métallique après le traitement par plasma de H₂, suivi de la croissance, par la technique vapeur-liquide-solide (VLS) assistée par plasma, de nanofils de Si sur lesquels sont déposées les couches P, I et N constituant les cellules solaires à jonction radiale. Nous avons atteint un taux de croissance élevé des nanofils de Si, jusqu'à 70%, avec une très large gamme de densité, de 10⁶ à 10⁹ /cm². Comme approche supplémentaire de contrôle de la densité des nanofils, nous avons utilisé du Sn évaporé comme précurseur du catalyseur Sn. Nous avons étudié l'effet de l'épaisseur de Sn évaporé, l'effet de la durée du traitement au plasma de H₂ et l'effet du débit de gaz H₂ dans le dans le mélange de précurseurs, sur la densité des nanofils. L'ellipsométrie spectroscopique in-situ (SE) a été utilisée pour contrôler la croissance des nanofils et le dépôt des couches de µc-Si:H sur les SiNWs. En combinant les résultats de in-situ SE et de microscopie électronique à balayage, une relation entre l'intensité du signal de SE pendant la croissance et la longueur et la densité des nanofils a été démontrée, ce qui permet d'estimer ces paramètres en cours de croissance. Nous avons réalisé une étude systématique des matériaux (couches intrinsèques et dopées de type n ou p de µc-Si:H, couches dopées d'oxyde de silicium microcristallin hydrogéné, µcSiOx:H) et des cellules solaires obtenues dans deux réacteurs à plasma appelés "PLASFIL" et "ARCAM". Les épaisseurs de revêtement sur substrat lisse et sur les nanofils ont été déterminées et nous avons obtenu une relation linéaire entre les deux, ce qui permet de concevoir un revêtement conforme sur les nanofils pour chaque couche avec une épaisseur optimale. Les paramètres des nanofils et des matériaux, affectant la performance des cellules solaires à jonction radiale, ont été systématiquement étudiés, les principaux étant la longueur et la densité des nanofils, l'épaisseur de la couche intrinsèque de µc-Si:H, l'utilisation de µc-SiOx:H et le réflecteur arrière en Ag. Enfin, avec les cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium optimisées utilisant le µc-Si:H comme absorbeur, nous avons atteint un rendement de conversion de l'énergie de 4,13 % avec Voc = 0,41 V, Jsc = 14,4 mA/cm² et FF = 69,7%. Cette performance est supérieure de plus de 40 % à l'efficacité record de 2,9 % publiée précédemment
In this thesis, we have fabricated silicon nanowire (SiNW) radial junction solar cells with hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) as the absorber via low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). To control the density of NW on the substrates, we have used commercially available tin dioxide (SnO₂) nanoparticles (NPs) with an average diameter of 55 nm as the precursor of Sn catalyst for the growth of SiNWs. The distribution of SnO₂ NPs on the substrate has been controlled by centrifugation and the dilution of the SnO₂ colloid, combined with the functionalization of the substrate. Subsequently, SnO₂ is reduced to metallic Sn after the H₂ plasma treatment, followed by the plasma-assisted vapor-liquid-solid (VLS) growth of SiNWs upon which the P, I and N layers constituting the radial junction solar cells are deposited. We have achieved a high yield growth of SiNWs up to 70% with a very wide range of NW density, from 10⁶ to 10⁹ /cm². As an additional approach of controlling the density of SiNWs we have used evaporated Sn as the precursor of Sn catalyst. We have studied the effect of the thickness of evaporated Sn, the effect of duration of H₂ plasma treatment and the effect of H₂ gas flow rate in the plasma, on the density of SiNWs.In-situ spectroscopic ellipsometry (SE) was used for monitoring the growth of SiNWs and the deposition of the layers of μc-Si:H on SiNWs. Combining in-situ SE and SEM results, a relationship between the intensity of SE signal and the length and the density of SiNWs during the growth was demonstrated, which allows to estimate the density and the length of SiNWs during the growth. We have carried out a systematic study of materials (intrinsic, p-type,n-type µc-Si:H and µcSiOx:H doped layers) and solar cells obtained in two plasma reactors named “PLASFIL” and “ARCAM”. The thicknesses of coating on the flat substrate and on the SiNWs have been determined with a linear relation which helps to design a conformal coating on SiNWs for each layer with an optimal thickness. The parameters of the SiNWs and the materials, affecting the performance of radial junction solar cells, have been systematically studied, the main ones being the length and the density of SiNWs, the thickness of intrinsic layer of μc-Si:H on SiNWs, the use of the hydrogenated microcrystalline silicon oxide (μc-SiOx:H) and the back reflector Ag. Finally, with the optimized silicon nanowire radial junction solar cells using the μc-Si:H as the absorber we have achieved an energy conversion efficiency of 4.13 % with Voc = 0.41 V, Jsc = 14.4 mA/cm² and FF = 69.7%. This performance is more than 40 % better than the previous published record efficiency of 2.9 %

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Guillet, Joëlle. "Dépôt de couches minces de silicium polycristallin par décomposition du silane sur un filament chaud pour la réalisation de cellules photovoltaïques." Grenoble INPG, 1998. http://www.theses.fr/1998INPG0134.

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Abstract:

Cette these a pour objectif d'etudier une nouvelle technique de depot de silicium, afin de realiser des cellules photovoltaiques bon marche. La technique choisie fut celle du filament chaud (cvd) afin de deposer du silicium polycristallin. Cette etude comprend une premiere partie presentant les couches deposees, et la deuxieme partie tente d'expliquer les resultats obtenus. Dans un premier temps le reacteur filament chaud (en tungstene), dans lequel est injecte un melange de silane et d'hydrogene, est presente ainsi que les modifications qui ont permis d'augmenter la duree de vie du filament, d'ameliorer l'homogeneite en epaisseur et la reproductibilite des couches deposees. Ces modifications ont egalement permis de reduire l'incorporation des impuretes dans les couches. Cette presentation est suivie d'une etude sur les concentrations d'impuretes contenues dans le materiau. Afin de reduire celles-ci, il est necessaire de proceder a une preparation efficace avant depot et de choisir des temperatures de substrats et de filament basses. Afin de deposer du silicium polycristallin, les conditions de depot ont ete explorees. Finalement les fourchettes de valeurs parametriques permettant de deposer un materiau polycristallin avec une concentration d'impuretes la plus faible possible, sont etroites. Les proprietes electroniques de tels materiaux sont presentes ainsi que l'influence du debit d'hydrogene sur celles-ci. Des couches de silicium polycristallin, dopees n et p, de 500a d'epaisseur ont pu etre elaborees a l'aide des gaz dopants phosphine et diborane. Des diodes entierement polycristallines et deposees par filament chaud sur substrat de verre corning ont ete realisees avec un rendement de conversion de 2,5%. Dans la deuxieme partie, sont abordes les mecanismes de decomposition des gaz, de germination et de croissance cristalline. Des reflexions et des hypotheses se basant sur des etudes et des theories existantes tentent d'expliquer les resultats obtenus.

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Cissé, Lamine. "Etude des propriétés électroniques des cristaux liquides discotiques pour applications photovoltaïques." Toulouse 3, 2008. http://thesesups.ups-tlse.fr/246/.

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Abstract:

La faible longueur de diffusion des excitons et la faible mobilité des charges dans les semi-conducteurs organiques limitent fortement la performance des cellules photovoltaïques organiques. L'utilisation de molécules discotiques, qui peuvent être régulièrement organisées sous forme de colonnes, permet d'améliorer ces propriétés. Cependant, lorsque les matériaux sont orientés sous forme de couches minces, une instabilité du film apparaît lors de son passage à l'état liquide isotrope. Dans cette thèse, nous montrons à travers l'étude de l'orientation homéotrope d'un cristal liquide colonnaire dérivé d'un benzopèrylène, que cette instabilité peut être évitée en modifiant les propriétés de surface des substrats par un plasma de Décharge Townsend à la Pression Atmosphérique. Des mesures de longueur de diffusion des excitons dans le dérivé benzopérylène:benzo[g,h,i]perylene1,2,4,5,10,11-hexacarboxylic1,2-di-(2-ethylhexyl) ester4:5,10:11-di-(4-heptyl)imide, Bp2I2CEH) non orientés et orientés en homéotrope indiquent une augmentation de sa valeur de 25% avec l'organisation homéotrope. L'étude des structures Schottky de type ITO/Bp2I2CEH/Al réalisées avec des films minces de Bp2I2CEH non orientés et orientés en homéotrope montre une augmentation du photocourant d'un facteur 16 par rapport à une cellule réalisée avec le même film non orienté. La modélisation d'une cellule photovoltaïque organique a été réalisée. Les simulations numériques (à l'aide d'un programme développé en langage C) montre qu'il est possible d'optimiser l'architecture du composant afin d'augmenter le photocourant généré par la cellule
Short excitons diffusion length and the low charges-carrier mobility organic semiconductors seriously limit the performance of organic solar cells. Using disc-like molecules which can be regularly arranged in columns, offers an opportunity to improve these properties. However, one of the biggest problems for the implementation of this strategy lies in the instability of discotic materials that appears during the transition to the isotropic phase when they are aligned as thin films. In this thesis, we show through the study of a benzoperylene derivative crystal liquid that this instability can be avoided by a surface treatment using an Atmospheric Pressure Townsend Discharge. Measures excitons diffusion length in a homeotropic oriented and non-oriented benzoperylene derivative:benzo [g,h,i]perylene1,2,4,5,10,11 -hexacarboxylic1,2-di-(2-ethylhexyl)ester4:5,10:11-di-(4-heptyl)imide, Bp2I2CEH) indicate an increase of its value of 25% with the homeotropic organization. The study of Schottky-type structures ITO/Bp2I2CEH/Al based on Bp2I2CEH oriented and non-oriented thin films shows an increase in the photocurrent by a factor of 16 compared to a cell carried out with the same non-oriented film. We have also modelled organic solar cells since the absorption of light to charges carrier generation. Numerical simulations results (with a program developed in C language) show that the solar cell architecture can be optimized to improve the photocurrent generated by the device

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Kinadjian, Natacha. "Chimie intégrative dédiée aux morphosynthèses de matériaux composites multi-échelles et études de leurs applications en photoluminescence, photocatalyse et photovoltaïque." Thesis, Bordeaux, 2014. http://www.theses.fr/2014BORD0049/document.

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Abstract:

La mise en forme de matériaux fonctionnels et leur texturation contrôlée à toutes les échelles sont des conditions sine qua non pour l’amélioration des systèmes existants. Ce projet de thèse consiste en la création de structures solides complexes en utilisant des méthodes interdisciplinaires telles que la chimie sol-gel et la physique des fluides complexes. Ainsi, il est possible d’obtenir des fibres ou des films de dioxyde de Titane poreux présentant des pores de différentes tailles organisés hiérarchiquement. Cette organisation texturale optimise le transport de matière (gaz / liquides) pour des applications telles que la dépollution d’air (photocatalyse) ou les cellules solaires à colorant. Par ailleurs, nous avons contrôlé l’alignement de nano-bâtonnets d’oxyde de Zinc au sein d’une fibre macroscopique générant ainsi des propriétés collectives d’émission de lumière (photoluminescence)anisotrope, spécificité d’utilité pour l’électronique à permutation. Enfin, nous avons synthétisé des nano objets anisotropiques et des nano-lamelles de polypyrrole afin de générer des films minces lisses avec des propriétés électriques permettant leur utilisation comme électrode ou électrolyte solide dans des cellules solaires à colorant
The shaping of functional materials and the control of their texture at all length scales are sine qua non conditions for the improvement of current systems. This PhD project consists in creating complex solid architectures using interdisciplinary methods such as sol-gel chemistry or complex fluids physics. Therefore, it is possible to synthesize Titanium Dioxide macroscopic fibers orfilms which possess a hierarchical porosity. This organization allows the optimization of the matter transport (liquid/gaz) for air depollution application (photocatalysis) or dye-sensitizedsolar cells. In another project, we were able to control the alignment of zinc oxide nanorods within a macroscopic fiber. This alignment provides to the fiber an anisotropic photoluminescence behavior which can be useful for switching devices application. Finally, we synthesized anisotropic particles and nano-sheets of polypyrrole (conducting polymer) in order to obtain smooth thin films presenting interesting electrical properties. The objective was to use them as electrolyte and/or electrode in dye-sensitized solar cells

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Altamura, Giovanni. "Développement de cellules solaires à base de films minces Cu2ZnSn(S,Se)4." Phd thesis, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01060095.

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Abstract:

L'objectif principal de cette thèse consiste à déterminer (et expliquer) les relations entre les conditions de synthèse des couches minces de Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTSSe), leurs propriétés physiques et les performances des dispositifs photovoltaïques. Le mécanisme de formation du matériau est étudié en fonction des conditions de croissance. Le CZTSSe est synthétisé par un procédé en deux étapes, où une première étape de dépôt des précurseurs sous vide est suivie d'une seconde étape de recuit sous atmosphère de sélénium. Différents ordres d'empilement des précurseurs sont étudiés afin de comprendre la séquence de réactions qui, à partir de leur dépôt, conduit à la couche finale de CZTSSe. Le résultat de cette étude montre que le matériau final obtenu après un recuit à haute température (570°C) et de longue durée (30 min) est indépendant de l'ordre de dépôt des précurseurs, mais que les étapes intermédiaires de formation du matériau sont fortement influencées par les positions respectives des couches de cuivre et d'étain. Les possibles implications bénéfiques de l'incorporation de sodium dans le CZTSSe sont également étudiées. Ce travail est réalisé en synthétisant la couche de CZTSSe sur différents substrats contenant diffèrents taux de sodium: de cette manière, pendant la synthèse, le sodium migre du substrat vers l'absorbeur. Après quantification du Na dans le CZTSSe juste après la croissance, le matériau est caractérisé afin d'évaluer sa qualité. Ensuite il est employé dans une cellule solaire complète pour vérifier ses propriétés photovoltaïques. Les résultats montrent que, comme dans le cas de la technologie CIGS, le sodium est bénéfique pour le CZTSSe, permettant l'augmentation de la tension à circuit ouvert et le rendement des cellules. Le molybdène est le contact arrière le plus utilisé pour les cellules solaires à base de CZTSSe. Cependant, il a été suggéré récemment que le Mo n'est pas stable à l'interface avec le CZTSSe. En outre, aucune étude expérimentale n'a été effectuée à ce jour pour tester si les cellules solaires construites sur un autre contact arrière pourraient présenter de meilleures propriétés photovoltaïques. Ainsi, divers métaux (Au, W, Pd, Pt et Ni) sont déposés sur le Mo et testés comme contacts arrières dans les cellules solaires à base de CZTSSe. Il est démontré qu'il est possible de synthétiser des couches minces de CZTSSe de qualité quand le tungstène, l'or et le platine sont employé comme contacts arrière. Il est observé que les contacts en W et Au permettent d'augmenter le courant photogénéré, mais aussi que le Mo reste le meilleur contact arrière du point de vue du rendement de conversion photovoltaïque. Les effets de la variation du rapport [S]/([S]+[Se]) sur les performances des cellules solaires à base de CZTSSe sont étudiés. Cette étude est effectuée par simulations des cellules solaires à base de CZTSSe, avec un ratio variable des éléments chalcogènes dans l'absorbeur, en ayant pour objectif la détermination de la composition optimale de l'absorbeur. Les simulations conduisent à un rendement de 16,5% (avec une tension en circuit ouvert de 0,56 V, courant de court-circuit de 37,0 mA/cm2 et un facteur de forme de 79,0%) lorsque la teneur en soufre est diminué linéairement à partir du contact arrière en direction de la couche tampon. Sur la base de ces résultats, nous proposons que l'ingénierie de bande interdite avec une variation du taux [S]/([S]+[Se]) dans l'absorbeur soit un moyen efficace qui permet d'augmenter les performances des cellules solaires à base CZTSSe sans nécessiter de changer la qualité même de l'absorbeur.

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Dissertations / Theses on the topic 'Cellules solaires à film mince'

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