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Photonic Management of Ultra-Thin Solar Cells

par Godefroid, Blaise
Président du jury Erneux, Thomas
Promoteur Kozyreff, Gregory
Publication Non publié, 2020-01-15

Thèse de doctorat

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Résumé :

Despite the successive conferences of parties (COP) on climate change, our energy production remains dramatically dominated by fossil fuels and our energy consumption continues to increase. It is therefore crucial to develop alternative and renewable sources of energy. Solar energy is by far the largest accessible source of energy. Photovoltaics therefore seems quite promising. However, to develop this technology on a large scale, we have to fulfil certain challenges such as the high price of the commercialised solar panels, the scarcity of some of their raw materials, and the difficulty of recycling them. In this context, organic solar cells are an interesting solution because they are cheaper, do not use rare materials, consume less energy during their manufacture and are simpler to recycle.Organic technology is, however, relatively new and researches are still needed to ensure simultaneously high efficiency, long lifetime and low-cost. On the side of the efficiency, the most limiting factor is the very short diffusion length of the excitations produced by photon absorption. The cell is therefore forced to be very thin, which limits its absorption. To address this issue, materials scientists have developed many strategies to improve the quality of active materials. However, another, often less expensive, approach is to manage the distribution of light in the cell more efficiently. To exploit this, we have developed, in this thesis, new mathematical tools adapted to organic materials. We have generalised the theory developed by William Shockley and Hans Queisser in 1961 for crystalline semiconductor cells to new unconventional solar cells (e.g. organic). Moreover, we have proposed a new and more accurate way to approximate the optical response of these new materials. We then studied two promising, innovative and complementary photonic strategies:- The first one consists in managing the injection of light in a homo-tandem which is a stack of two sub-cells with identical absorbers. We show that absorption can be increased through interference management by inserting an ultra-thin metal film between the two sub-cells. In parallel, we highlight the optical advantages of a new transparent electrode that is less expensive, less scarce and more environmentally friendly than conventional electrodes.- The second one consists in managing the radiative losses during the recombination of the excitations produced by the photon absorption. We show that with a judicious choice of geometrical parameters, we can reduce these radiative losses - and thus increase the diffusion length - thanks to microvavity effects. Moreover, we show that not considering the spatial dependence of radiative losses leads to a suboptimal conception of the cell, even if the radiative part of the recombination is very small.We believe that these results will provide another perspective on the solar cell design strategies and consequently improve their performances.

Malgré les conférences des parties (COP) successives sur les changements climatiques, notre production énergétique reste dramatiquement dominée par les énergies fossiles et notre consommation ne cesse d'augmenter. Il est donc crucial de développer des sources d'énergie alternatives et renouvelables. L'énergie solaire est de loin la plus grande source accessible d'énergie. Le photovoltaïque semble donc tout à fait prometteur. Cependant pour développer cette technologie à grande échelle, il nous faut relever certains défis comme le prix élevé des panneaux solaires actuels, la rareté de certains de leurs matériaux, et la difficulté de les recycler. Dans ce contexte, les cellules solaires organiques constituent une solution intéressante, car elles sont moins chères, n'utilisent pas de matériaux rares, consomment peu d'énergie lors de leur fabrication et sont simples à recycler.La technologie organique est cependant relativement jeune et des recherches sont encore nécessaires afin que les panneaux solaires organiques présentent simultanément une grande efficacité, une longue durée de vie et un prix bas. Au niveau de l'efficacité, le facteur le plus limitant est la très courte longueur de diffusion des excitations produites par l'absorption de photons. La cellule est donc contrainte à être très fine, ce qui limite son absorption. Pour remédier à ce problème, les chercheurs en sciences des matériaux ont développé de nombreuses stratégies afin d'améliorer la qualité des matériaux actifs. Cependant, une autre approche, souvent moins couteuse, consiste à gérer plus efficacement la répartition de la lumière dans la cellule. Pour exploiter cela, nous avons développé, dans cette thèse, de nouveaux outils mathématiques adaptés aux matériaux organiques. Nous avons généralisé la théorie élaborée par William Shockley et Hans Queisser en 1961 pour les cellules semi-conductrices cristallines, aux cellules solaires non conventionnelles (ex : organiques), et nous avons proposé une nouvelle manière plus précise d'approximer la réponse optique de ce type de cellules solaires. Nous avons ensuite étudié deux stratégies photoniques prometteuses, innovantes et complémentaires:- La première consiste à gérer efficacement l'injection de lumière dans une homo-tandem. Celle-ci est composée d'un empilement de deux sous-cellules avec des absorbeurs identiques. Nous montrons que l'absorption peut être augmentée grâce à une meilleure gestion des interférences via l'incorporation d'une couche métallique mince entre les deux sous-cellules. En parallèle, nous mettons en évidence les avantages optiques d'une nouvelle électrode transparente qui est moins chère, moins rare et plus respectueuse de l'environnement que les électrodes conventionnelles.- La seconde consiste à gérer efficacement les pertes radiatives lors de la recombinaison des excitations produites par l'absorption de photons. Nous montrons qu'avec un choix judicieux de paramètres géométriques, nous pouvons diminuer les pertes radiatives - et donc augmenter la longueur de diffusion - grâce aux interférences. De plus, nous montrons que ne pas considérer la dépendance spatiale des pertes radiatives conduit à une conception sous-optimale de la cellule, et ce même si la part radiative de la recombinaison est petite.Nous pensons que ces résultats pourront apporter un autre regard sur la conception du design des cellules solaires et en conséquence améliorer leur rendement.