Uneven temperatures in hot carrier solar cells : optical characterization and device simulation.
Mesure des écarts de température par photoluminescence dans les cellules solaires à porteurs chauds : vers une étude des dispositifs non idéaux.
Résumé
Hot-carrier solar cells promise theoretical efficiencies exceeding 66%. However, actual devicesexhibit significantly lower efficiencies, around 10%. To understand this discrepancy, it is necessary to complicate our understanding of hot-carrier solar cells by introducing non-ideal effects. In this thesis, we study two “uneven temperature” effects: (i) the existence of a temperature gradient within the absorber (inhomogeneous temperature) and (ii) the existence of two different temperatures for electrons and holes. In the first case, we propose a theoretical description of transport adapted to this specific situation. We show that the transport is ambipolar and thermoelectric, and we propose a theoretical expression for the transport coefficients. Next, we suggest an experiment based on hyperspectral photoluminescence imaging in steady-state to characterize transport coefficients. In particular, we measure the ambipolar Seebeck coefficient of an (In,Ga,As)P quantum well. In the second case, we begin by proving that electron and hole temperatures s are both accessible through steady-state photoluminescence spectroscopy. Indeed, the absorptivity of a sample depends on the distributions of electrons and holes due to the ”band filling” effect. This technique requires that the sample be subjected to intense excitation, ensuring that the electrons and holes are in a degenerate regime. Finally, we studied the impact of these two uneven temperature effects on the operation of hot-carrier solar cells. We first calculated the voltage of a cell subject to either of these effects and showed that they result in identical cell voltage. We then demonstrated that the temperature difference between electrons and holes (at a fixed effective temperature) leads to an increase in cell efficiency, by about 1 to 2 points maximum. This effect being limited, precise characterization of electron and hole temperatures is unnecessary to design hot-carrier solar cells.
Les cellules solaires à porteurs chauds promettent des rendements théoriques supérieurs à 66%. N´néanmoins, les dispositifs réels ont des rendements nettement inférieurs, de l’ordre de 10%. Pour comprendre cette différence, il est nécessaire de complexifier notre compréhension des cellules solaires à porteurs chauds en introduisant des effets non-idéaux. Dans cette thèse, nous étudions deux effets ≪ d’écart de température ≫: (i) l’existence d’un gradient de température dans l’absorbeur (température inhomogène) et (ii) l’existence de deux températures différentes pour les électrons et les trous. Dans le premier cas, nous proposons une description théorique du transport adaptée à cette situation particulière. Nous montrons que le transport est ambipolaire et thermoélectrique, et proposons une expression théorique pour les coefficients de transport. Ensuite, nous proposons une expérience basée sur une mesure hyperspectrale de photoluminescence en régime continu pour caractériser les coefficients de transport. Nous mesurons en particulier le coefficient Seebeck ambipolaire d’un puits quantique de (In,Ga,As)P. Dans le second cas, nous commençons par prouver que la température des électrons et des trous sont toutes deux accessibles par une simple mesure de photoluminescence en régime continu. En effet, l’absorptivité ´e d’un échantillon dépend des distributions des électrons et des trous grâce au terme de ≪ band filling ≫. Cette technique nécessite que l’échantillon soit soumis à une excitation intense, de sorte que les électrons et les trous soient dans un régime dégénère. Enfin, nous avons étudié l’impact de ces deux effets sur l’opération des cellules `a porteurs chauds. Nous avons d’abord calcul ´e le voltage d’une cellule sujette à l’un ou l’autre de ces deux effets d’écart de température, et montré qu’ils sont identiques. Ensuite, nous avons montré que la différence de température entre les électrons et les trous (à température effective fixée) conduit `a une augmentation de l’efficacité de la cellule, de l’ordre de 1 `a 2 points maximum. Cet effet ´ étant limité, il n’est pas nécessaire de caractériser avec précision la température des électrons et des trous, la connaissance de la température effective semble suffisante.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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