Highly efficient solar cells in low dimensionality based on Cu(In,Ga)Se2 chalcopyrite materials
Cellules solaires à haut rendement en basse dimensionnalité à partir de matériaux chalcopyrites Cu(In,Ga)Se2
Résumé
In this thesis we explored the potential of thin film microscale concentrator solar cells. The aim of the study is to develop a highly efficient photovoltaic technology, based on large-area processes for high throughput, and which is raw-material thrifty to meet the constraints of terawatt development. The miniaturization of thin film solar cells leads to a low resistive architecture, with easy thermal management, which is therefore adapted to the concentrating regime. The scale effects are studied from an analytical and numerical point of view. Prototype Cu(In,Ga)Se2 solar cells are fabricated with help of photolithography techniques and tested to evaluate the performance of the microcells. A 5% absolute efficiency increase was measured, which led to a 21. 3% efficiency of a 50 µm diameter microcell at a concentration of ×475. The influence of the incident spectra is highlighted. The specific features of the high illumination regime are studied for the first time on Cu(In,Ga)Se2. The photoconductive behavior of Cu(In,Ga)Se2 is analyzed. The screening of the electric field in the Cu(In,Ga)Se2 heterojunction under high light fluxes is evidenced by simulation and may explain the influence of the illumination level on the collection efficiency observed experimentally. The possibility of an industrial application is tackled via the fabrication of mesa delineated microcells, which proves that the edge surface of the microcells have a low recombination velocity (< 4 103 cm/s). A bottom-up approach is studied via electrodeposition. This selective deposition technique enables the synthesis of CuInSe2 on microelectrodes.
Dans cette thèse nous évaluons le potentiel de cellules solaires micrométriques pour une utilisation sous flux concentré. Le but de l’étude est de mettre au point une technologie photovoltaïque à haut rendement, basée sur des technologies de grandes surfaces pour obtenir de fortes productivités, qui soit en même temps économe en matières premières pour respecter les contraintes imposées par un développement du photovoltaïque à l’échelle du terawatt. La miniaturisation des cellules solaires permet d’obtenir une architecture peu résistive, qui évacue efficacement la chaleur. Les microcellules sont donc adaptées à la concentration lumineuse. Des prototypes sont fabriqués, grâce à des techniques de photolithographie. Leur test permet d’évaluer leur rendement. Un gain absolu de 5% de rendement a été mesuré; un rendement maximum de 21. 3% sur une cellule de 50 µm de diamètre à une concentration de ×475 est atteint. Les caractéristiques du régime de forte illumination sont étudiées pour la première fois sur Cu(In,Ga)Se2. La photoconductivité de cet absorbeur est examinée. L’écrantage du champ électrique de l’hétérojonction Cu(In,Ga)Se2 sous fort flux est simulé numériquement et semble expliquer l’influence de l’intensité lumineuse sur la collecte des porteurs, mise en évidence expérimentalement. La possibilité d’une application industrielle est envisagée grâce à la fabrication de microcellules à absorbeur localisé, qui a permis de déterminer une faible vitesse de recombinaison sur les surfaces latérales des cellules (< 4 103 cm/s). Une technique de dépôt sélective, l’électrodépôt, a permis la synthèse de CuInSe2 sur des microélectrodes.
