Phonon engineering for hot-carrier solar cells - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

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.
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Dates et versions

tel-01123624 , version 1 (05-03-2015)
tel-01123624 , version 2 (01-09-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01123624 , version 1

Citer

Hugo Levard. Phonon engineering for hot-carrier solar cells: Phonon engineering for hot-carrier solar cells. Physics [physics]. UPMC Université Paris VI, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01123624v1⟩
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