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Fabrication of vertically aligned silicon nanowire arrays and its application in hybrid heterojunction solar cells

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Banerjee, Debika (2018). Fabrication of vertically aligned silicon nanowire arrays and its application in hybrid heterojunction solar cells. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Worldwide, numerous approaches to reduce climate change emerge every day. Photovoltaic is one of the attractive and efficient methods to generate carbon free renewable power. Reigning over the photovoltaics industry, crystalline silicon-based solar cells are efficient but expensive due to their complexity in processing. This brings the motivation for fundamental research in a quest to find of simpler and less expensive ways to harvest light in order to generate electricity. Hybrid platforms, with the help of nanotechnology, strive to include various inorganic, organic, polymer materials combined with crystalline silicon to fabricate hybrid heterojunction solar cells. The main objective of this thesis is to develop a costeffective method to fabricate silicon nanowire-based hybrid heterojunction solar cells. Employing silicon nanowires help to reduce the material usage and thus the cost by their inherently large surface to volume ratio. We found galvanic displacement method as the most cost-effective technique compared to other methods used for the synthesis of silicon nanowires. Optical and electrical properties of these nanowires have been measured to evaluate the potential of these materials for their usage in photovoltaics. We have investigated phonon confinement effect on the silicon nanowires. Being silicon an indirect band gap material; phonon confinement helps in band to band transition of electrons and holes which further increases the photovoltaic efficiency of devices built around silicon nanowires.

In this thesis, we first introduce a device architecture that combines silicon nanowires and anatase TiO2, demonstrating the fabrication of bulk heterojunction solar cells using interface modification with HBr. This approach results in PV devices with up to 6.2% of power conversion efficiency (PCE) that represents 3 times enhancement compared to similar architectures with interface modification using other routes. This thesis provides a promising route for interface engineering of hybrid heterojunction based optoelectronic devices.

The second device architecture described in this thesis shows the fabrication of hybrid heterojunction solar cells comprised of plasmon sensitized silicon nanowires and PEDOT:PSS. Significant plasmon induced enhancement is demonstrated by controlling the cleaning protocol during the nanowire fabrication step. This allows to leave minute amount of silver nanoparticles attached to the silicon nanowires before coating with solvent treated PEDOT:PSS. The solar cell devices produced show a PCE up to 8.4% under AM 1.5G compared to 5.5% without silver nanoparticles. This thesis yields a favorable way to achieve better performing ultra-low-cost silicon-based solar cells.

Résumé traduit

Partout dans le monde, de nombreuses approches pour réduire la sévérité du changement climatique émergent chaque jour. L’énergie photovoltaïque est l'une des avenues attrayantes et efficaces pour la génération d'énergie renouvelable sans carbone. Régnant sur l'industrie photovoltaïque, les cellules solaires à base de silicium cristallin sont efficaces mais coûteuses, en raison de leur complexité de fabrication. Cela amène la motivation à la recherche fondamentale afin de trouver des moyens plus simples et moins coûteux de récolter la lumière et produire de l'électricité. Les plateformes hybrides, à l'aide de la nanotechnologie, s'abordent d'inclure divers matériaux polymères inorganiques et organiques, combinés avec du silicium cristallin, pour fabriquer des cellules solaires hybrids à hétérojonction. L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthode rentable pour fabriquer des cellules solaires hybrides à hétérojonction, à base de nanofils de silicium. En raison de leur rapport surface/volume intrinsèquement grand, l'emploi de nanofils de silicium aide à réduire l'utilisation de matériaux et donc le coût de fabrication. Nous avons trouvé la méthode de déplacement galvanique comme étant la technique la plus rentable par rapport aux autres méthodes de synthèse de nanofils de silicium. Les propriétés optiques et électriques de ces nanofils ont été mesurées afin d’évaluer leurs potentiel pour leurs utilisation dans des dispositifs photovoltaïque. Nous avons étudié l'effet de confinement de phonons sur les nanofils de silicium. Le silicium, étant un matériau à bande interdite indirecte; Le confinement de phonons aide à la transition bande à bande des électrons et destrous, ce qui augmente encore l'efficacité photovoltaïque des dispositifs construits autour des nanofils de silicium.

Dans cette thèse, nous introduisons d'abord une architecture de dispositif qui combine des nanofils de silicium et du TiO2 anatase, démontrant la fabrication de cellules solaires à hétérojonction en utilisant une modification d'interface avec HBr. Cette approche aboutit à des dispositifs PV avec jusqu'à 6,2% d'efficacité de conversion de puissance (PCE) qui représente une amélioration de 3 fois par rapport à des architectures similaires avec une modification d'interface utilisant d'autres voies. Cette thèse offre une voie prometteuse pour l'ingénierie d'interface de dispositifs optoélectroniques hybrides à base d'hétérojonction.

La deuxième architecture de dispositif décrite dans cette thèse démontre la fabrication de cellules solaires hybrides à hétérojonction composées de nanofils de silicium et de PEDOT :PSS sensibilisés au plasmon. L'amélioration significative induite grâce aux plasmon est démontrée en contrôlant le processus de nettoyage pendant l'étape de fabrication de nanofils. Ceci permet de laisser une quantité infime de nanoparticules d'argent attachées aux nanofils de silicium avant de les enrober de PEDOT: PSS traité au solvant. Les dispositifs cellules solaires produites démontrent un PCE allant jusqu'à 8,4% sous AM 1,5G comparer à 5,5% pour les dispositifs sans nanoparticules d'argent. Cette thèse offre un moyen favorable de réaliser des cellules solaires à base de silicium.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 87-106).
Mots-clés libres: nanofils de silicium, GDM, cellules solaires, hétérojonction hybride
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Cloutier, Sylvain G.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 07 déc. 2018 18:31
Dernière modification: 07 déc. 2018 18:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2179

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