Fabrication of vertically aligned silicon nanowire arrays and its application in hybrid heterojunction solar cells

Résumé

Partout dans le monde, de nombreuses approches pour réduire la sévérité du changement climatique émergent chaque jour. L’énergie photovoltaïque est l'une des avenues attrayantes et efficaces pour la génération d'énergie renouvelable sans carbone. Régnant sur l'industrie photovoltaïque, les cellules solaires à base de silicium cristallin sont efficaces mais coûteuses, en raison de leur complexité de fabrication. Cela amène la motivation à la recherche fondamentale afin de trouver des moyens plus simples et moins coûteux de récolter la lumière et produire de l'électricité. Les plateformes hybrides, à l'aide de la nanotechnologie, s'abordent d'inclure divers matériaux polymères inorganiques et organiques, combinés avec du silicium cristallin, pour fabriquer des cellules solaires hybrids à hétérojonction. L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthode rentable pour fabriquer des cellules solaires hybrides à hétérojonction, à base de nanofils de silicium. En raison de leur rapport surface/volume intrinsèquement grand, l'emploi de nanofils de silicium aide à réduire l'utilisation de matériaux et donc le coût de fabrication. Nous avons trouvé la méthode de déplacement galvanique comme étant la technique la plus rentable par rapport aux autres méthodes de synthèse de nanofils de silicium. Les propriétés optiques et électriques de ces nanofils ont été mesurées afin d’évaluer leurs potentiel pour leurs utilisation dans des dispositifs photovoltaïque. Nous avons étudié l'effet de confinement de phonons sur les nanofils de silicium. Le silicium, étant un matériau à bande interdite indirecte; Le confinement de phonons aide à la transition bande à bande des électrons et destrous, ce qui augmente encore l'efficacité photovoltaïque des dispositifs construits autour des nanofils de silicium. Dans cette thèse, nous introduisons d'abord une architecture de dispositif qui combine des nanofils de silicium et du TiO2 anatase, démontrant la fabrication de cellules solaires à hétérojonction en utilisant une modification d'interface avec HBr. Cette approche aboutit à des dispositifs PV avec jusqu'à 6,2% d'efficacité de conversion de puissance (PCE) qui représente une amélioration de 3 fois par rapport à des architectures similaires avec une modification d'interface utilisant d'autres voies. Cette thèse offre une voie prometteuse pour l'ingénierie d'interface de dispositifs optoélectroniques hybrides à base d'hétérojonction. La deuxième architecture de dispositif décrite dans cette thèse démontre la fabrication de cellules solaires hybrides à hétérojonction composées de nanofils de silicium et de PEDOT :PSS sensibilisés au plasmon. L'amélioration significative induite grâce aux plasmon est démontrée en contrôlant le processus de nettoyage pendant l'étape de fabrication de nanofils. Ceci permet de laisser une quantité infime de nanoparticules d'argent attachées aux nanofils de silicium avant de les enrober de PEDOT: PSS traité au solvant. Les dispositifs cellules solaires produites démontrent un PCE allant jusqu'à 8,4% sous AM 1,5G comparer à 5,5% pour les dispositifs sans nanoparticules d'argent. Cette thèse offre un moyen favorable de réaliser des cellules solaires à base de silicium.

Date	29 août 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Sylvain G. Cloutier (Directeur(-trice))