Published April 25, 2022 | Version v1
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Gluing III-V//Si with transparent conductive layers for tandem solar cells

Description

95% of the total photovoltaic production in 2020 is made from silicon. At lab scale, the record efficiency of single-junction silicon solar cells reached 27.6%, close to the theoretical limit efficiency of 29.4%. An alternative way to better exploit the solar spectrum is to combine several semiconductor materials into tandem solar cells, with a theoretical efficiency of almost 45% for an optimal dual-junction Si-based tandem solar cells. The best performances have been obtained by direct wafer bonding of III-V on Si, but this technology is hardly scalable. In this thesis, we designed and developed a new and potentially low-cost gluing method for two-terminal IIIV on silicon tandem solar cells based on transparent, conductive layers (TCLs). This TCL stack is composed of two sol-gel derived antireflection coatings (ARCs) and a low refractive index layer. The ARCs ensure ohmic contacts with the sub-cells and the transmission of low-energy photons to the silicon cell. The low refractive index layer provides both the electrical interconnection between sub-cells and an enhanced photon recycling in the top cell (efficiency gain up to 0.9% absolute). The TCL stack was optimized using optical simulation tools to achieve current matching with minimal current loss, similar to the direct bonding architecture. The lamination process is performed in air, using a simple hydraulic press at low curing temperature (120 deg. C). A reproducible and robust photolithography process at a low temperature of 80 deg. C was also successfully optimized. We fabricated a first generation AlGaAs/TCLs/Si 1 cm2 tandem cell with TOPCon Si solar cell and PEDOT:PSS-based glue, showing promising results. A light trapping strategy using a nanostructured layer inserted at the back of the top cell was also explored by electromagnetic simulations, considering practical constraints. This strategy allows to minimize the use of III-V materials by a factor of 2.6. (author)

Abstract (French)

95% de la production photovoltaique totale en 2020 est realisee a partir de silicium. A l'echelle du laboratoire, le rendement record des cellules solaires silicium simple-jonction a atteint 27.6%, proche du rendement limite theorique de 29.4%. Une alternative pour mieux exploiter le spectre solaire consiste a combiner plusieurs semi-conducteurs dans des cellules solaires tandem, avec un rendement theorique de pres de 45% pour une cellule solaire tandem optimale a double-jonction a base de Si. Les meilleures performances ont ete obtenues par collage direct de III-V sur Si, mais la mise a l'echelle de cette technologie est difficile. Dans cette these, nous avons concu et developpe une nouvelle methode de collage, potentiellement peu couteuse, pour les cellules solaires tandem III-V sur silicium a deux terminaux, basee sur des couches transparentes conductrices (TCL). Cet empilement de TCL est compose de deux revetements antireflets (ARCs) derives de sol-gels et d'une couche a faible indice de refraction. Les ARCs assurent des contacts ohmiques avec les sous-cellules et la transmission des photons de faible energie a la cellule de silicium. La couche a faible indice de refraction assure a la fois l'interconnexion electrique entre les sous-cellules et un meilleur recyclage des photons dans la cellule superieure (gain d'efficacite pouvant atteindre 0.9% en valeur absolue). L'empilement TCL a ete optimise a l'aide d'outils de simulation optique afin d'obtenir une concordance de courant avec une perte de courant minimale, similaire au cas de l'architecture a collage direct. Le processus de laminage est realise dans l'air, a basse temperature de polymerisation (120 deg. C) a l'aide d'une simple presse hydraulique. Un processus de photolithographie reproductible et robuste a une basse temperature de 80 deg. C a egalement ete optimise avec succes. Nous avons fabrique une premiere generation de cellule tandem AlGaAs/TCLs/Si ayant une surface de 1 cm2, avec une cellule Si de type TOPCon et une colle a base de PEDOT:PSS, qui montre des resultats prometteurs. Une strategie de piegeage de la lumiere utilisant une couche nanostructuree inseree a l'arriere de la cellule superieure a egalement ete exploree par des simulations electromagnetiques, en tenant compte des contraintes pratiques. Cette strategie permet de minimiser l'utilisation de materiaux III-V par un facteur de 2.6. (auteur)

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Original title (English)
Collage III-V//Si par couches transparentes conductrices pour cellules solaires tandem

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Imprint Pagination
193 p.
Report number
FRNC-TH--14058

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