Phonon engineering for hot-carrier solar cells
Ingénierie phononique pour les cellules solaires à porteurs chauds
Résumé
This thesis deals with fundamental issues related to phonons in hot-carrier solar cells, a
third generation photovoltaic technology. This concept aims at extracting photogenerated
charge carriers before their reach a thermal equilibrium with the lattice, and exhibits a
theoretical efficiency close to thermodynamic limit. One of the main issue is to hinder
carrier cooling, which occurs through LO-phonon emission. In addition to the idea of
screening the electron-phonon interaction, one approach consists in designing an absorber
in which the LO-phonon has an intrinsic lifetime longer than what it is in conventional
materials, enhancing the rate of its reabsorption by the carriers. The LO-phonon decay
and lifetime is first investigated in semiconductors within density functional perturbation
theory. Specific criteria for relevant absorbing materials choosing, from a phonon point
of view, are derived. A full study of the LO-phonon lifetime is performed on a singular
material, and the possibility to achieve the sufficient phononic requierements is discussed.
Secondly, the above-mentioned electron-phonon interaction is modelled in superlattices.
The coupling strength is related to the LO-phonon induced macroscopic electric field,
which allows to study the directional dependence of the phonon emission. The latter
reveals to differently affect the dimensionality of the electronic and phononic interacting
populations. This study calls for development of these structure in the framewok of hot-carrier
solar cells.
Cette thèse traite des problématiques fondamentales liées aux phonons dans le cadre
des cellules solaires à porteurs chauds. Ce concept appartient aux technologies photovoltaïques
dites de troisième génération, et vise à l’extraction des porteurs de charges
photogénérés non-encore à l’équilibre thermique avec le réseau cristallin, ce qui conduit à
un rendement théorique maximum de l’ordre de la limite thermodynamique. Un des enjeux
majeurs est ainsi le ralentissement du refroidissement des porteurs, refroidissement qui se
traduit principalement par l’émission de phonon LO via l’interactions électron-phonon.
En plus de l’idée d’écranter ce dernier processus, une approche consiste à concevoir un
matériau absorbeur dans lequel le phonon LO présente un temps de vie intrinsèque plus
long qu’il ne l’est dans les matériaux classiques, favorisant ainsi sa réabsorption par les
porteurs. Dans une première partie, et utilisant la théorie de la fonctionnelle densité perturbée,
la décoposition du phonon LO est étudiée en terme d’états finaux disponibles. Suit
une discussion sur le calcul du temps de vie de ces phonons, et sur la possibilité d’atteindre
les critères phononiques définis comme suffisants. Dans une deuxième partie, une étude de
l’interaction électron-phonon est menée dans les super-réseaux. La constante de couplage
est reliée au champ électrique macroscopique induit par le phonon LO, de sorte à pourvoir
précisément rendre compte de son anisotropie. Il apparaît que la dimensionalité des
populations électroniques et phononiques est différemment affectée. Cette étude appelle à
développer l’analyse de ce type de structure dans le cadre des cellules à porteurs chauds.