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Presentation
Current researches for next-generation solar cells are driven by cost
reduction and efficiency improvement. Two different strategies are pursued.
The first one aims at reducing the cost of solar cells while keeping
good efficiencies (~ 10%). A 10-fold thickness reduction of thin-film
inorganic solar cells (target: 100-300 nm) should lead to the reduction
of carrier transit time and recombinations, and should reduce the
requirements for material quality. The second strategy aims at developing
high-efficiency thin-film solar cells, with a 2-3 times improvement in
the energy conversion efficiency compared to standard single-junction
solar cells. This could be achieved with multi-junction structures, or
advanced concepts like multiple electron-hole pair generation, hot
carriers, or intermediate-band cells. These approaches may offer the
possibility to absorb low-energy photons, or to convert the photon energy
in excess of the band-gap.
A striking common feature of the next generations of solar cells is the
typical thickness of the absorber. All strategies would require light
absorption confinement at the sub-wavelength scale. In this regime,
conventional light trapping techniques have to be dropped. Plasmonics
has been proposed as a promising way to improve optical management in
photovoltaic devices. Recent experiments have demonstrated efficiency
improvement of thin-film a-Si:H solar cells with plasmonic designs,
leading to a conversion efficiency in the 5.9-6.6 % range for 160 to
280 nm-thick absorbers with textured back contact. However, in these
designs, the improvement of optical trapping is limited to the red part
of the visible spectrum.
We are following a different strategy for light trapping, based on
broadband optical absorption by multi-resonant mechanism in ultra-thin
layers.
Our efforts toward the development of ultra-thin and high-efficiency
solar cells have been mainly focused in two directions :
Members
Contacts
And also...
Patents- Composant photovoltaïque à fort rendement de conversion, J.-L. Pelouard, F. Proise, M. Paire, J.F. Guillemoles, D. Lincot, FR 1259225, (2012-09-28)
- Cellule photovoltaïque pour application sous flux solaire concentre, M. Paire, D. Lincot, J.F. Guillemoles, J.-L. Pelouard, S. Collin, FR 1053318, (2010-06-02)
- Structure nanometrique absorbante de type MIM asymetrique, S. Collin, J.-L. Pelouard, F. Pardo, A.-M. Haghiri-Gosnet, P. Lalanne, C. Sauvan, FR 1053134, (2010-04-23)
PublicationsPublication in journals
- Nanopatterned front contact for broadband absorption in ultra-thin amorphous silicon solar cells
, I. Massiot, C. Colin, N. Pere-Laperne, P.R.I Cabarrocas, C. Sauvan, P. Lalanne, J.-L. Pelouard, S. Collin, Appl. Phys. Lett. 101, 163901 (2012)
- Hot Carrier Solar Cells: Controlling Thermalization in Ultrathin Devices
, A Le Bris, J. Rodiere, C. Colin, S. Collin, J.-L. Pelouard, R Esteban, M. Laroche, J.-J. Greffet, J.F. Guillemoles, IEEE J. Photov. 2, 506 (2012)
- Towards ultrathin copper indium gallium diselenide solar cells: proof of concept study by chemical etching and gold back contact engineering
, Z J Li-Kao, N Naghavi, F Erfurth, J.F. Guillemoles, I Gérard, A Etcheberry, J.-L. Pelouard, S. Collin, G Voorwinden, D. Lincot, Prog. Photovolt: Res. Appl. , 582 (2012)
- Cu(In,Ga)Se2 photovoltaic microcells for high efficiency and low material usage
, M. Paire, L. Lombez, F. Donsanti, M. Jubault, N. Pere-Laperne, A. Perona, A. Dollet, J.-L. Pelouard, D. Lincot, J.F. Guillemoles, Proc. SPIE 8256, 82560K (2012)
- Resistive and thermal scale effects for Cu(In, Ga)Se2 polycrystalline thin film microcells under concentration
, M. Paire, A. Shams, L. Lombez, N. Pere-Laperne, S. Collin, J.-L. Pelouard, J.F. Guillemoles, D. Lincot, Energy Environ. Sci. 4, 4972 (2011)
- Thinning of CIGS solar cells: Part I: Chemical processing in acidic bromide solutions
, M. Bouttemy, P. Tran-Van, I Gérard, N. Hildebrandt, A. Causier, J.-L. Pelouard, G. Dagher, Z. Jehl, N Naghavi, G Voorwinden, B. Dimmler, M. Powalla, J.F. Guillemoles, D. Lincot, A Etcheberry, Thin Solid Films 519, 7207 (2011)
- Harvesting light at the nanoscale by GaAs-gold nanowire arrays
, S. Collin, F. Pardo, N. Bardou, A. Lemaitre, S. Averin, J.-L. Pelouard, Optics Express 19, 17293 (2011)
- Microscale solar cells for high concentration on polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 thin films
, M. Paire, L. Lombez, N. Pere-Laperne, S. Collin, J.-L. Pelouard, D. Lincot, J.F. Guillemoles, Appl. Phys. Lett. 98, 264102 (2011)
Contracts and projects
Other National Projects
UltraCIS : Cellules solaires à haut rendement à base de couches minces ultrafines de diséléniure de cuivre et d'indium
Reference contract : ANR Habitat
LPN leader(s): Jean-Luc Pelouard, Stephane Collin
Main goals : Étude et réalisation de cellules solaires en couche ultrafine (jusqu'à 100nm) à base de CIGS (2009-2012)
THRI-PV : Très Haut Rendement et Innovation Photovoltaïque
Reference contract : ANR Solaire Photovoltaïque
LPN leader(s): Jean-Luc Pelouard, Stephane Collin
Main goals : Développement de nouveaux concepts pour cellules en couche mince à très haut rendement (2006-2010)
Internship Training proposalsInternship Training
- Plasmonics for Hot Carrier Solar Cells
Level : Master2
Contact : A. Cattoni
, S. Collin
Group : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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In order to make photovoltaics a sustainable way to produce energy, the research community is still facing two main challenges: increase the solar cell conversion efficiency and reduce the fabrication costs. A possible solution to both these challenges may come from the emerging field of Plasmonics which provides methods for guiding and localizing light at the nanoscale (well below the scale of the wavelength of light in free space) providing for the possibility of a drastic reduction of the semiconductor material consumption and at the same time for the possibility to develop solar cells based on new concepts for higher efficiencies.
The main energy loss mechanisms in a solar cell is the rapid cooling of high-energy photo-generated carriers to the bandgap edges, through the emission of phonons. The possibility to collect photo-generated carriers before their cooling (“hot carriers”) would allow to reduce this energy loss by extraction of carriers with energies much higher than the bandgap. Slowing of carriers cooling by the so-called “phonon bottleneck effect” has been observed in bulk and quantum confined semiconductors but only under high intensities laser excitation, otherwise impossible to achieve with the sunlight. Both high optical intensities and fast extraction of hot carriers are only possible by reducing the absorption volume and the collection path to the electrodes. We have recently experimentally demonstrated the possibility to obtain the confinement of the light in a sub-wavelength volume (< λ3/1000) by using plasmonic nanocavities, fabricated over large surfaces area (1 cm²) by Nanoimprint Lithography [Cattoni et al., Nano Letters 11, 3557 (2011)]. Because the absorption is omnidirectional and independent of the polarization of the light, these structure are ideal for the design of efficient photovoltaic devices, in particular for investigating the concept of a nanoscale hot carrier solar cell.
The candidate will carry out the fabrication and the characterization of a proof-of-concept hot carrier absorber in which the a low dimensional semiconductor (thin film or nanowire) is placed inside a plasmonic nanocavity opportunely designed for multi-resonance absorption in the visible spectrum. The first task of the project will be the development an original process for the transfer of a semiconductor thin-film/nanowires-array over an host substrate. This proof-of-concept hot carrier absorber will be developed by using state of the art III-V semiconductors heterostructures grown at LPN. Full characterization of the device (spectral and angular response, photoluminescence) will allow to determine the contribution of the plasmonic structures to the temperature of the carriers. This project will be carried out at LPN in close collaboration with the IRDEP (Institut de Recherche et Développement sur l'Énergie Photovoltaïque), already partners in the “Fédération de Recherche Photovoltaïque d'Ile-de-France” and in the new “Institut photovoltaïque d’Ile-de-France”.
Past and current Internship TrainingPost-docsPhDs
- Nanostructured plasmonic solar cells
Contact : S. Collin
Group : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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Next generation solar cells will require optical management at the sub-wavelength scale. In this regime, conventional light trapping techniques based on anti-reflection coatings and scattering structures are no more valid/useful. Novel designs will need a joined effort of the material science and nanophotonics communities. Plasmonics is one of the more promising tool for the design of nanoscale photovoltaic devices.In the ANR-ULTRACIS program, several very promising structures have already been designed by (electromagnetic) numerical modeling. According to this work, our ambitious objective (>10% efficiency solar cells with <100nm-thick absorbers) seems achievable. These structures should provide a significant breakthrough in the optical design of next generation solar cells, with a twenty-fold decrease of the thickness of direct-bandgap absorbers.The goal of this project is to demonstrate the strong potential of plasmonic nanostructures for efficient light harvesting in nanoscale solar cells. The candidate will carry out the fabrication and characterization of nanostructured solar cells. The first task will be to develop the fabrication process in clean room. The new concepts for light confinement will be first demonstrated with III-V semiconductor absorbers, using well-known fabrication techniques. At the same time, the candidate will develop specific fabrication processes for the fabrication of low-cost, ultra-thin CuInGaSe solar cells. Full characterization of the devices (spectral and angular response, photocurrent, efficiency) will be carried out.
- Cellules solaires ultrafines CIGS
C. Colin-(On going since 2010-10-01)
Contact : S. Collin
Group : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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- Cellules solaires ultrafines a-Si
I. Massiot-(On going since 2010-10-01)
Contact : S. Collin
Group : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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- Towards ultra-thin solar cells
Contact : S. Collin
Group : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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Les cellules solaires connaissent un essor considérable depuis quelques années, autant dans le domaine de la recherche que sur le plan industriel. Les différentes générations de cellules solaires ont été marquées par une diminution continue de l'épaisseur de la couche absorbante, allant de quelques centaines de microns dans le cas de structures en silicium, à 2-3 µm dans le cas des cellules à couches minces utilisant un semiconducteur à gap direct (CdTe, CuInGaSe, a-Si,...). Pour dépasser les limitations actuelles en terme d'efficacité et de coûts, la prochaine génération de cellules solaires doit mettre en œuvre des couches absorbantes dont l'épaisseur est inférieure à la longueur d'onde (50 à 200 nm). Dans ce régime sub-longueur d'onde, les techniques d'optique classique habituellement utilisées pour capturer la lumière (couches anti-reflet, diffuseurs,...) ne sont plus valables, et de nouveaux concepts de nanophotonique doivent être explorés. En s'appuyant sur les propriétés des interactions lumière-matière dans les nanostructures métalliques (plasmonique), nous avons réussi à concevoir une structure ''modèle'' dans laquelle l'absorption est confinée dans une couche d'épaisseur inférieure à 50 nm, avec un rendement de conversion de l'énergie solaire atteignant à 14.5 % (à comparer au maximum théorique de 31 % pour une cellule à simple jonction). Ces résultats théoriques permettent d'envisager une diminution de l'épaisseur de la couche absorbante d'un facteur 20. L'objectif du stage est de réaliser la première démonstration expérimentale d'une cellule solaire ultra-mince et efficace (>10 %), formée d'une jonction p-n de 50 nm d'épaisseur. Dans un premier temps, l'étudiant travaillera en salle blanche afin de fabriquer des cellules solaires ultra-minces nanostructurées, en utilisant des matériaux semiconducteurs III-V (GaAs notamment). Il mettra en œuvre les nombreuses techniques de pointe disponibles dans la salle blanche du LPN. Dans un second temps, il effectuera les mesures optiques (mesure de réflectivité sur une large gamme spectrale et angulaire) et électro-optiques (mesures de photocourant, I-V) qui permettront de se confronter aux prédictions théoriques et de mesurer l'efficacité de conversion. Ce stage pourra être poursuivi par une thèse, dont l'objectif sera la transposition de ces concepts aux matériaux bas-coût utilisés dans l'industrie photovoltaïque, notamment le CuInGaSe. Ce travail se déroule dans le cadre de deux projets ANR ''photovoltaïque'', en collaboration avec l'IRDEP-EDF (Jean François Guillemoles) et l'Institut d'Optique (Jean-Jacques Greffet).
Internship Training
- Towards ultra-thin solar cells
Level : Master2
Contact : S. Collin
Group : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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Les cellules solaires connaissent un essor considerable depuis quelques annees, autant dans le domaine de la recherche que sur le plan industriel. Les differentes generations de cellules solaires ont ete marquees par une diminution continue de l'epaisseur de la couche absorbante, allant de quelques centaines de microns dans le cas de structures en silicium, a 2-3 m dans le cas des cellules a couches minces utilisant un semi-conducteur a gap direct (CdTe, CuInGaSe, a-Si,...). Pour depasser les limitations actuelles en terme d'efficacite et de couts, la prochaine generation de cellules solaires doit mettre en œuvre des couches absorbantes dont l'epaisseur est inferieure a la longueur d'onde (50 a 200 nm). Dans ce regime sub-longueur d'onde, de nouvelles techniques doivent etre developpees pour capturer la lumiere et ainsi conserver une bonne efficacite de conversion tout en reduisant l'epaisseur de la couche active. Le groupe PHYDIS (Physique des Dispositifs) du LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures) au sein duquel le stagiaire travaillera a developpe une activite autour de l'utilisation de nanostructures plasmoniques pour la conception de cellules solaires ultra-fines (<100 nm) et efficaces. Nous avons montre que l'integration de couches metalliques nanostructurees permet une tres forte augmentation de l'absorption des photons incidents, sur une large gamme spectrale. L'epaisseur de la couche d'absorbeur peut ainsi etre reduite d'au moins un ordre de grandeur par rapport a l'etat de l'art. Ce resultat ouvre de nombreuses perspectives d'applications. La conception de cellules solaires avec une couche active ultra-fine souleve egalement des questions quant au transport electronique dans une jonction d'epaisseur aussi faible. Un des problemes poses est donc de savoir si la reduction de l'epaisseur de la cellule ne se fait pas au detriment de la collection des porteurs photogeneres . Pour l’instant, il existe peu de travaux sur l'etude du mecanisme de transport electronique a cette echelle. Les objectifs de ce stage seront donc de caracteriser electriquement des jonctions p-i-n dites ultra-fines (mesures I-V sous micro-pointes, a l'obscurite et sous eclairement), d'elaborer un modele theorique pour expliquer le comportement de ces jonctions et finalement de simuler le comportement electrique de cellules solaires ultra-fines avec le logiciel SCAPS. Il s'agira de travailler sur differents materiaux utilises dans l'equipe tels que les semi-conducteurs III-V (GaAs, InP...) ou le silicium amorphe (a-Si:H). Ce stage permettra egalement au candidat de se familiariser avec les differentes techniques de nanofabrication en salle blanche ainsi que de developper des competences autour des techniques de caracterisation structurale (microscopie electronique). Ce stage pourra etre poursuivi par une these dont l'objectif sera d'appliquer ce travail preliminaire aux cellules solaires nanostructurees developpees dans le groupe. Ce travail se deroulera dans le cadre des collaborations au sein de la Federation Photovoltaique Ile de France.
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