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Theses Year : 2017

From Silicon to Germanium Nanowires : growth processes and solar cell structures

Processus de croissance de nanofils de Si et Ge : application a des cellules solaires

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Abstract

This thesis is dedicated to develop new solar cell architectures based on nanowires produced by a plasma-assisted Vapor Liquid Solid process. By optical modeling, detailed field and absorption profiles in the NW solar cells have been obtained and a 14 mA/cm2 matched photocurrent has been achieved for a-Si:H/µc-Si:H tandem solar cells. An electrical model for radial PN junction NW solar cells has also been developed from first principle rules, allowing a good understanding of the carrier transport. By analyzing step by step the SiNWs growth in a PECVD system we could propose a detailed explanation for the strong evolution of the NW density, morphology and crystallinity during growth. The rare hexagonal phase of Si has been observed in the as grown SiNWs with diameters smaller than 10 nm. For the first of time, we have provided TEM characterizations from [11-20] direction to give a clear proof of the hexagonal Si phase in as grown SiNWs. To develop low band bap, high mobility material for multi junction NW solar cells, we added germane to silane during the plasma-assisted VLS growth process. Ge contents from 0 to 100% have been achieved with Sn, In and Cu catalysts. We have found that above a critical temperature (~ 350 °C), micrometer long cylindrical Ge NWs can be obtained. NW based PIN radial junction solar cells having a-Si:H, a-SiGe:H and µc-Si:H as intrinsic absorber layers have been fabricated. For the SiGeNWs based solar cells, a 6% energy conversion efficiency has been achieved with p-i-n configuration. To our knowledge, this is the first demonstration of SiGeNWs based photovoltaic device.
Cette thèse a pour objectif de développer des nouvelles architectures de cellules solaires à base de nanofils produites par un procédé VLS assisté par plasma. La modélisation optique est utilisée pour déterminer le champ et le profil d'absorption dans les cellules solaires. Un courant de 14 mA/cm2 a été obtenu pour des cellules tandem a-Si:H/μc-Si:H. Un modèle électrique a aussi été développé, permettant une compréhension approfondie du transport dans ces dispositifs. En étudiant la croissance de SiNWs étape par étape, une bonne compréhension du processus de croissance a été obtenue, permettant d’expliquer la forte évolution de la densité de nanofils, de leur morphologie et de leur cristallinité. La phase hexagonale de Si a été observée dans les nanofils de silicium de petit diamètre (< 10 nm). Nous avons fait des caractérisations TEM dans la direction [11-20] qui apportent une preuve claire de la phase hexagonale de Si dans les SiNWs. Une fois la croissance de nanofils de silicium optimisée, nous avons abordé la croissance de nanofils de Ge et d’alliages SiGe dans le but de réduire le gap et élargir le domaine spectral de nos cellules. Le contenu en Ge a été varié entre 0 et 100% avec des catalyseurs Sn, In et Cu. Nous avons constaté qu’au-dessus d'une température critique (~350 °C), on peut obtenir des nanofils de Ge cylindriques, longs de plusieurs microns. Des cellules solaires PIN à jonction radiale avec une couche intrinsèque à base d’a-Si:H, de µc-Si:H ou d’-SiGe:H ont été fabriquées. A notre connaissance, c'est la première démonstration d’un tel dispositif à base de nano fils SiGe.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-01531870 , version 1 (02-06-2017)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01531870 , version 1

Cite

Jian Tang. From Silicon to Germanium Nanowires : growth processes and solar cell structures. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris Saclay (COmUE), 2017. English. ⟨NNT : 2017SACLX014⟩. ⟨tel-01531870⟩
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