Understanding and Optimisation of transport mechanisms in Perovskite on Silicon Heterojunction Tandem Solar Cells - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Understanding and Optimisation of transport mechanisms in Perovskite on Silicon Heterojunction Tandem Solar Cells

Compréhension et optimisation des mécanismes de transport dans les cellules tandem pérovskite sur hétérojonction de silicium

Résumé

Silicon based single-junction solar cells record efficiencies are getting closer to their theoretical limit. In this context, monolithic Perovskite on silicon tandem solar cells are an excellent choice to achieve more than 30 % efficiency and to be integrated into modules, without much further development. Such tandem solar cells with a silicon heterojunction (SHJ) bottom-cell have demonstrated efficiencies up to 29 %, on small surfaces (1 cm²), in the past few years. To develop this type of devices, the junction between the two subcells is a key feature. Indeed, the two subcells are connected in series by this junction, named recombination junction, which must allow the charge carriers to recombine, without causing additional optical or electrical losses.The objectives of this work are to investigate the transport mechanisms in the recombination junction, within Perovskite on SHJ tandem solar cells, in order to define methods for the development and optimisation of several recombination junctions. In this work, we propose and implement methods for the characterisation of recombination junctions, in order to prepare their integration in tandem devices.First, we developed a tunnel junction in microcrystalline silicon, deposited by PECVD at low temperature (200 °C), to preserve the SHJ bottom-cell. Then, the developed microcrystalline silicon layers were characterised and we validated that they have the requirements to form an efficient tunnel recombination junction. Moreover, we observed an increase of minority carrier lifetime, demonstrating that the developed layers improve the chemical passivation and field effect of SHJ solar cells. Furthermore, we made SHJ solar cells with the addition of the developed µc-Si:H (n+/p+) junction, observed no additional series resistance and measured conventionally shaped I-V curves, without S-shape. Thus, the developed recombination junction does not negatively influence the SHJ bottom-cell.Secondly, we focused on the electrical characterisation of the recombination junctions, without producing an entire tandem solar cell. We established different test-structures with the aim of electrically characterising the recombination junctions. Then, we used the previously developed µc-Si:H (n+/p+) junction as an example of a tunnel junction to study the different test-structures and discuss their operation. Finally, we proposed different structures and electrical characterisation methods, suitable for different recombination junctions, and presented their limitations.Thirdly, we studied the influence of recombination junctions on Perovskite/SHJ tandem solar cells, but also the impact of these junctions on the Perovskite-based top-cell. For this purpose, we have performed optical simulations of tandem solar cells with different recombination junctions. We also developed test-structures to investigate on the Perovskite top-cell, through electrical structural characterisations, depending on the recombination junction used. To conclude, we presented the integration of the developed tunnel junction in a tandem device and discussed further improvements and perspectives.
Les rendements record des cellules solaires en silicium à simple-jonction se rapprochent de leur limite théorique. Dans ce contexte, les tandems monolithiques Pérovskite sur silicium sont un excellent choix pour atteindre plus de 30 % d'efficacité et être intégrés en module, avec très peu de développement supplémentaire. Ces cellules solaires tandem, avec cellule inférieure à hétérojonction de silicium (SHJ), ont démontré des rendements allant jusqu'à 29 %, sur de petites surfaces (1 cm²), au cours des dernières années. Pour développer ce type de technologie, la jonction entre les deux sous-cellules est une composante clé. En effet, les deux sous-cellules sont connectées en série par cette jonction, nommée jonction de recombinaison, qui doit permettre aux porteurs de charge de se recombiner, sans entraîner de pertes optiques ou électriques supplémentaires.Les objectifs de cette Thèse sont d'étudier les mécanismes de transport dans les jonctions de recombinaison, au sein des cellules solaires tandem Pérovskite sur SHJ, afin de définir des méthodes de développement et d'optimisation de ces jonctions. Dans cette Thèse, nous proposons et mettons en place des méthodes de caractérisation des jonctions de recombinaison, pour préparer leur intégration dans les dispositifs tandem.Tout d'abord, nous avons développé une jonction tunnel en silicium microcristallin, déposée par PECVD à basse température (200 °C), afin de préserver la cellule inférieure. Ensuite, les couches de silicium microcristallin développées ont été caractérisées et nous avons validé qu'elles présentent les conditions requises pour former une jonction tunnel permettant une recombinaison efficace des porteurs de charge. De plus, nous avons observé une augmentation de la durée de vie des porteurs minoritaires, ce qui démontre que les couches développées améliorent la passivation chimique et l'effet de champ des cellules inférieures SHJ. Nous avons également fabriqué des cellules solaires SHJ avec l'ajout de la jonction µc-Si:H (n+/p+) développée, nous n’avons observé aucune résistance série supplémentaire et nous avons mesuré des courbes I-V de forme classique, ne présentant pas de forme en S. La jonction de recombinaison développée n’a donc pas d’influence négative sur la cellule inférieure SHJ.Deuxièmement, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation électrique des jonctions de recombinaison, sans produire une cellule tandem entière. Nous avons établi différentes structures de test dans le but de caractériser électriquement les jonctions de recombinaison. Nous avons ensuite utilisé la jonction µc-Si:H (n+/p+), développée précédemment, comme exemple de jonction tunnel pour étudier les différentes structures de test et discuter de leur fonctionnement. Finalement, nous avons proposé différentes structures et méthodes de caractérisation électrique, adaptées à différentes jonctions de recombinaison, et nous avons présenté leurs limitations.Troisièmement, nous avons étudié ensuite l’influence des jonctions de recombinaison sur les cellules solaires tandem Pérovskite/SHJ, mais également l’impact de ces jonctions sur la cellule supérieure à base de Pérovskite. En vue de choisir l’architecture tandem la plus efficace, nous avons réalisé des simulations optiques des cellules solaires tandem, avec différentes jonctions de recombinaison. Nous avons également développé des structures de test permettant d’étudier la cellule supérieure Pérovskite, au moyen de caractérisations électriques et structurales, en fonction de la jonction de recombinaison utilisée. Pour finir, nous avons présenté l’intégration de la jonction tunnel développée en dispositif tandem et discuté des perspectives d’amélioration.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03462780 , version 1 (02-12-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03462780 , version 1

Citer

Apolline Puaud. Understanding and Optimisation of transport mechanisms in Perovskite on Silicon Heterojunction Tandem Solar Cells. Material chemistry. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALI074⟩. ⟨tel-03462780⟩
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