Afin de converger vers la parité réseau et de faciliter l’intégration des cellules solaires photovoltaïques dans notre environnement, des absorbeurs en couches minces ont été développés, donnant naissance aux cellules dites de 2ème génération. Aujourd’hui, cet effort de réduction des coûts se poursuit, ce qui se traduit notamment par un amincissement des couches actives. Le rendement de ces cellules ultraminces souffre néanmoins de la faible absorption de la lumière, en particulier pour les longueurs d’onde situées près du gap du matériau absorbant considéré. Cette problématique est au cœur de l’étude présentée dans ce manuscrit de thèse.
Pour favoriser le piégeage de la lumière tout en augmentant sa collection, nous nous sommes proposé de structurer une couche active ultramince comme un CP membranaire. Une couche en a-Si :H de 100nm d’épaisseur a été retenue pour valider cette approche. Notre démarche a consisté à étudier les propriétés optiques de CP membranaires isolés, pour ensuite se concentrer sur leur intégration dans une cellule solaire complète.
Des simulations optiques réalisées sur une couche ultramince supposée suspendue dans l’air ont montré que sa structuration en un CP membranaire conduisait à une augmentation significative de l’absorption intégrée, à condition que les paramètres géométriques du CP (période, facteur de remplissage) soient optimisés. De plus, ces résultats ont indiqué que les gains obtenus pour un réseau 2D carré de trous (+91%) étaient supérieurs à ceux calculés pour une configuration 1D (+38%), la référence étant une couche similaire mais planaire. Ainsi, pour la suite de notre étude, nous avons décidé de travailler sur ces configurations 2D qui, de plus, présentent l’avantage d’être insensibles à la polarisation de la lumière en incidence normale.
L’augmentation de l’absorption dans ces structures a ensuite été interprétée sur la base de spectres d’absorption simulés et d’un modèle analytique fondé sur la théorie des modes couplés. Tout d’abord, nous avons mis en évidence un effet d’anti-reflet aux faibles longueurs d’onde grâce à la nano-structuration de la couche absorbante. Nous avons également montré que la lumière incidente pouvait se coupler aux modes de Bloch lents du CP si les conditions
portant sur la symétrie et le facteur de qualité (déterminé par les paramètres du CP) de ces modes étaient réunies. Dans ce cas, des pics d’absorption supplémentaires apparaissent près du gap du a-Si :H et peuvent atteindre des valeurs élevées grâce à l’interaction entre ces modes. Enfin, les simulations optiques ont souligné la robustesse de l’absorption intégrée à l’égard de l’angle d’incidence de la lumière. Cela s’explique par le caractère multi-mode de nos structures et par la stabilité des modes de Bloch lents en fonction de la composante parallèle du vecteur d’onde.
Nous avons ensuite proposé un design de cellule solaire complète pour lequel un réseau 2D carré de trous est gravé jusque dans la couche active ultramince. Celui-ci a été sélectionné en faisant varier les paramètres du CP afin de maximiser l’absorption intégrée dans la couche de a-Si :H. Cette dernière atteint environ 66% pour la cellule « photonisée », contre seulement 52% pour la cellule planaire de référence. Cette caractéristique, c’est-à-dire la possibilité de contrôler le comportement optique de la cellule en ajustant les paramètres du CP, constitue un des avantages de notre approche. En outre, il apparaît que l’absorption intégrée de la cellule structurée est robuste vis-à-vis de l’angle d’incidence et des écarts des paramètres géométriques principaux du CP (période et diamètre des trous, entre autres) par rapport à la configuration optimale calculée par simulation. Ces résultats tendent à démontrer que notre design est compatible avec une approche « large surface », qui est un des leviers pour abaisser les coûts de fabrication.
Afin de réaliser ces cellules, un procédé de nano-structuration a été développé en combinant une étape de lithographie holographique et une autre de gravure par plasma. Un procédé de gravure spécifique a été étudié pour transférer le réseau de trou dans la couche de a-Si :H avec un bon contrôle des différents paramètres. De cette manière, nous avons introduit un réseau 2D de trous possédant les paramètres visés sur une surface d’environ 1cm2
dans plusieurs empilements complets de couches. Ces derniers ont été caractérisés optiquement par sphère intégrante. Les spectres expérimentaux ont démontré un gain en absorption sur quasiment tout l’intervalle de longueurs d’onde considéré par rapport à un empilement de couches planes, une robustesse de l’absorption intégrée vis-à-vis de l’angle d’incidence de la lumière et l’homogénéité suffisante des paramètres du CP à la surface des échantillons.
Une filière technologique complète a été établie autour de ce procédé de nano-structuration. L’enchaînement et la nature des étapes résultent d’un choix effectué pour préserver au mieux
les propriétés des matériaux lors de la gravure des couches. En l’état actuel des choses, seules les simulations opto-électriques réalisées sur des jonctions structurées 1D en a-Si :H donnent une idée de l’influence des recombinaisons de surface au niveau des flancs de gravure sur les propriétés électriques de la cellule. Les résultats obtenus indiquent que l’augmentation de la vitesse de recombinaison de surface (SRV) induit une diminution de Voc (Jsc étant peu perturbée), mais que l’impact sur le rendement ne devrait pas être significatif lorsque SRV<103cm/s (ordre de grandeur uniquement). Ce dernier point sera au centre des prochaines études expérimentales.
Pour améliorer la reproductibilité de nos échantillons et relâcher les contraintes liées à la gravure du CP dans la couche active, nous avons également considéré une seconde filière technologique basée sur la lithographie par nano-impression. Un masque a été fabriqué à cette occasion et permet le transfert simultané d’une cinquantaine de configurations optimisées par simulation optique. La mise en place de cette voie de fabrication alternative devrait faciliter l’optimisation de la fabrication des cellules solaires « photonisées ».
Une première suite de ce travail de thèse consistera à adapter cette approche pour des cellules photovoltaïques à base de a-Si :H exploitant des sources lumineuses autres que le soleil. Comme mentionné précédemment, l’ajustement des paramètres du CP permet de contrôler ses propriétés d’AR et l’absorption aux grandes longueurs d’onde en recouvrant une large gamme d’angles d’incidence. Nous utiliserons cette propriété pour optimiser l’absorption de la lumière de sources d’intérieur (photovoltaïque « indoor »). En parallèle, notre activité se poursuivra pour la filière c-Si à couche ultramince (1µm). L’objectif à court terme est d’optimiser expérimentalement les gains en rendement obtenus en intégrant un réseau 2D carré de trous sur la face avant de ces cellules. Ces résultats serviront de base aux prochaines études qui viseront à introduire des structures plus complexes, comme des doubles réseaux sur les faces avant et arrière de la cellule, afin d’optimiser simultanément la collection et le piégeage de la lumière.