Stages et thèses

Proposition de thèse :

Développement de nouvelles méta-structures à base de couches de conversion et de cristaux photoniques pour le solaire photovoltaïque 

Directeur de thèse : Antonio Pereira et Christian Seassal (INL)

Co-encadrants  : Emmanuel Drouard (INL) et Bernard Moine

Laboratoires d’accueil : Institut Lumière Matière, UMR CNRS 5306 et Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR CNRS 5512. Sites Université Claude Bernard Lyon 1 et Ecole Centrale de Lyon.

Partenariat avec la société SILSEF. 

Cadre : thèse financée par la région Rhône-Alpes, dans le cadre de l’ARC 4.

Résumé du projet :

Le projet proposé a pour but d'augmenter le rendement de conversion lumière/courant électrique par un transfert énergétique de la partie UV-visible du rayonnement solaire vers le domaine de sensibilité spectrale optimale des cellules photovoltaïques. Pour cela, un cristal photonique sera couplé avec des matériaux convertisseurs de fréquences afin d'en augmenter l'efficacité. Cette conversion met en jeu des ions luminescents incorporés dans une matrice d'oxyde. Cette méta-structure sera déposée sous forme de couches minces sur les matériaux nécessaires à l’encapsulation en face avant des cellules photovoltaïques. L’utilisation plus efficace de la partie UV-visible du spectre solaire permet d’envisager une augmentation significative du rendement des cellules photovoltaïques, de l'ordre de 3 %. Le projet s’appuie sur les compétences de l’Institut Lumière Matière pour l’élaboration des couches minces de conversion et de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon pour l’ingénierie des structures photoniques. Le défi proposé est une approche originale et novatrice qui aboutira à des avancées aussi bien fondamentales qu’appliquées aux technologies des cellules solaires. Ces nouvelles structures offrent un fort potentiel de développement économique puisque que leur fabrication pourra être aisément transposée sur tous types de cellule photovoltaïque.

Profil du/de la candidat(e) :

Le/la candidat(e), sera titulaire d’un master avec une orientation vers une ou plusieurs des disciplines suivantes : micro-nanotechnologie, physique, composants semiconducteurs, photonique. Le/la candidat(e) aura le goût du travail technologique et expérimental, et un intérêt pour la modélisation, l’analyse et l’interprétation physique.

Détails sur le sujet de thèse :

Le sujet de thèse proposé vise à développer et étudier une nouvelle génération de cellules solaires performantes, ayant pour but d’améliorer les rendements de conversion des cellules photovoltaïques au travers de la conversion spectrale assistée par des structures nanophotoniques actives. Les nouvelles méta-structures envisagées seront constituées d’une couche mince de conversion spectrale associée à des cristaux photoniques planaires. Ce couplage ouvre la possibilité de confiner la lumière pour augmenter l’absorption et donc le rendement quantique de la couche mince de conversion. Dans cette thèse, il est prévu de concevoir, fabriquer et de caractériser entièrement les méta-structures optimisées, qui pourront être intégrées sur la face avant d'un module photovoltaïque. 

Les objectifs scientifiques et techniques sont : 1) la mise évidence d’une conversion de photons efficace dans la couche de conversion ; 2) l’optimisation de couplage efficace couche de conversion - structure phonique afin d’obtenir l’exaltation des propriétés d’absorption et d’émission de la couche de conversion via l’utilisation de cristaux photoniques ; 3) le design complet des méta-structures et de leur association avec les dispositifs photovoltaïques visés ; 4) la démonstration expérimentale du potentiel de ces nouvelles architectures de dispositifs photovoltaïques. 

Le travail de thèse concernera tout d’abord l’élaboration des couches minces de conversion spectrale par ablation laser pulsée (PLD), technique développée à l’ILM et qui permet de déposer une large gamme de matériaux sous forme de films, de nanoparticules ou de structures multicouches avec un excellent contrôle de leur épaisseur et de leurs propriétés. Le but de la couche de conversion est de modifier le spectre solaire et de l’adapter à la réponse spectrale de la cellule PV. Le concept considéré, appelé « Down-shifting », permettra de convertir les photons UV-bleu en photons proche infrarouge capables de générer plus efficacement des paires électron-trou. Ce procédé permet typiquement d’envisager des gains de l’ordre de 2.6% pour les cellules multicritalline (mc-Si), 4,8% pour les cellules CIGS et 2.2% pour les cellules hétérojonction (a-Si: H / c-Si). Pour cette application, des matrices d’oxyde, tel que ZrO2 et ZnO, seront privilégiées. L’objectif est de déterminer les meilleures conditions de dépôts de ces couches et leurs caractéristiques optimales en fonction du dopage (par exemple, Eu2 +, Eu3 +, Cr3 +, Ce3 +). L’optimisation sera menée à partir des caractérisations physico-chimiques, structurales et spectroscopiques. L’ILM est entièrement équipé pour des mesures spectroscopiques de la gamme de l'ultraviolet lointain à l’infrarouge (absorption, émission, excitation, rendement quantique).  

Parallèlement, la nouvelle meta-structure associant la couche de conversion spectrale et les cristaux photoniques sera modélisée par simulation FDTD. La structure diélectrique périodique sera conçue à l’INL (équipe Nanophotonique) afin d’obtenir une exaltation du champ électromagnétique à l’intérieur de la couche de conversion. Cet effet permet d’engendrer une augmentation importante de l’absorption dans une plage de longueurs d’onde désirée. Ce type de structure a déjà été réalisé avec succès par l’INL directement dans des couches minces de silicium amorphe (augmentation de 50% de l’absorption).  

Enfin, l’étape suivante sera la fabrication de la structure nanophotonique (INL, avec le concours de SILSEF) et la caractérisation de la méta-structure finale (ILM). Le cristal photonique sera réalisé dans une couche transparente de haut indice de réfraction (par exemple Si3N4) déposée sur le dessus de la couche de conversion. La structure photonique pourra être constituée d’un simple réseau de trous, mais aussi de structures périodiques plus complexes (quasi–cristaux…).  

A l’échelle du laboratoire, ces structures seront réalisées par lithographie holographique et gravure ionique réactive dans le cas d’une structuration simple, et par lithographie à faisceau d’électrons pour les structures complexes. Avec le concours de SILSEF, des procédés de réalisations compatibles avec les normes industrielles pourront être testées et exploitées. Les mesures spectroscopiques sur les méta-structures finales permettront d’évaluer l’impact du cristal photonique. Il sera enfin envisagé d’intégrer ces nouvelles meta-structures sur des cellules solaires réalisées par l’équipe Photovoltaïque de l’INL.