Nanophotonique: un nouvel élan pour le photovoltaïque solaire

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1 Nanophotonique: un nouvel élan pour le photovoltaïque solaire Stéphane Collin Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN-CNRS) Marcoussis, France Paris, 23 octobre 2012 Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

2 Personnes impliquées LPN Clément Colin, Inès Massiot and Nicolas Vandamme (PhDs) Andrea Cattoni and Petru Ghenuche Dominique Decanini, Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Nathalie Bardou, Christophe Dupuis Aristide Lemaître, Clean-room staff Jean-Luc Pelouard IRDEP Jean-François Guillemoles Negar Naghavi Daniel Lincot ANR ULTRACIS, NATHISOL Institut d Optique (IOGS) Philippe Lalanne Christophe Sauvan LPICM, ILV,... Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

3 Spectre solaire Large bande spectrale Solar irradiance spectrum (AM1.5G, normalized) Wavelength (µm) Large acceptance angulaire diffuse light direct light diffuse light Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

4 Cellules solaires conventionnelles Jonction p-n semiconductrice : η < 32% (Shockley-Queisser) Pertes photons non absorbés 1 thermalisation des charges 2 pertes dans la jonction 3 pertes aux contacts 4 recombinaisons Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

5 Cellules solaires à hauts rendements Multi-jonctions Porteurs chauds Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

6 Plan 1 Introduction 2 Optique dans les cellules solaires conventionnelles 3 Miroir nanostructuré pour les cellules solaires ultra-fines 4 Nanocavités multi-résonantes pour les cellules solaires ultra-fines 5 Conclusion Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

7 Optique dans les cellules solaires conventionnelles Supprimer les réflexions sur la surface d entrée Outil : optique ondulatoire anti-reflection coating (ARC) Augmenter le chemin optique dans la cellule Outil : diffusion de la lumière path enhancement for thickness reduction Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

8 Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l épaisseur des cellules solaires moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l optique conventionnelle n est plus valide à l échelle sub-longueur d onde. 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si (indirect bandgap) Back contact ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

9 Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l épaisseur des cellules solaires moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l optique conventionnelle n est plus valide à l échelle sub-longueur d onde. 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si (indirect bandgap) Back contact ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate 4 nanophotonics ( λ) 1-2 µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

10 Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l épaisseur des cellules solaires moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l optique conventionnelle n est plus valide à l échelle sub-longueur d onde. 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si (indirect bandgap) Back contact ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate nanophotonics ( λ) µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) 5 ~ 100 nm guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

11 Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l épaisseur des cellules solaires moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l optique conventionnelle n est plus valide à l échelle sub-longueur d onde. 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si (indirect bandgap) Back contact ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient and ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate < 100 nm Ag nanophotonics ( λ) 1-2 µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) ~ 100 nm ultrathin absorbing absorber layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

12 Optique et nano-optique dans les cellules solaires Objectif : diminuer l épaisseur des cellules solaires moins de matériaux, baisse des coûts de fabrication, perspectives de nouveaux régimes de transport (porteurs chauds,...). Problème : l optique conventionnelle n est plus valide à l échelle sub-longueur d onde. 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si (indirect bandgap) Back contact ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient and ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate < 100 nm Ag nanophotonics ( λ) 1-2 µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) ~ 100 nm ultrathin absorbing absorber layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

13 Réseau de diffraction, couplage à des modes guidés Objectif : améliorer l absorption aux grandes longueurs d onde épaisseur nm < λ mirror host substrate Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

14 Réseau de diffraction, couplage à des modes guidés Objectif : améliorer l absorption aux grandes longueurs d onde épaisseur nm < λ mirror host substrate Ondes diffractées dans une couche épaisse ( λ) Modes guidés dans une couche absorbante ultra-fine ( λ) absorber mirror host substrate Fig. 2. In a symmetric grating structure 6nth-order modes are Fig. 4. Optimized staircase approximation to a blazed grating for excited with equal strength. According to the reciprocity theorem a thin Si solar cell. the minus first order 1212 impinging on the grating excites the zero-order Stéphane outgoing Collin wave (LPN-CNRS) 1out2 in the same way the zero-order Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

15 Couplage à des modes guidés dans une cellule en a-si :H V. Ferry et al., H. A. Atwater, A. Polman a-si :H solar cells, t 160 nm, η = 6.6 % - Appl. Phys. Lett. 95, (2009) - Opt. Express 18, A237 (2010) Amélioration de l absorption dans le rouge, épaisseur 160 nm Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

16 Vers des cellules ultrafines : nanocavités multi-résonantes Objectif : améliorer l absorption sur tout le spectre, épaisseur < 100 nm λ λ Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

17 Comment absorber dans une couche ultra-fine? Un résonateur très petit devant λ? ~ (λ/2n)³? λ³ Une nanocavité plasmonique! metal absorber metal 200 nm 25 nm Quelques paradoxes, quelques problèmes à résoudre... Le métal absorbe et réfléchit la lumière... Peut-on éviter les réflexions de la lumière (absorption totale) et absorber dans le semiconducteur, pas dans le métal? Qui dit résonance dit faible largeur spectrale... Comment absorber sur une large gamme spectrale? Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

18 Comment absorber dans une couche ultra-fine? Des nanocavités plasmoniques multi-résonantes conception d une nanocavité plasmonique absorption totale, indépendante de l angle d incidence (dans le métal) preuve de concept absorption multi-résonante (dans le semiconducteur) preuve de concept Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

19 Conception de nanocavités plasmoniques MIM Diminution de la taille de la cavité Nano-cavités MIM Cavité de Fabry-Perot : w λ 2n eff plasmons confinés (couplage électrons-photons) diminution de la longueur d onde augmentation de l indice effectif n eff (n eff = 2 n silica 3 with t=20 nm) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

20 Absorption optique parfaite dans un réseau de nano-cavités Pertes Absorption résonante parfaite : γ r = γ nr (condition de couplage critique) onde incidente R=0 Réseau sub-longueur d onde, pas d ordre diffracté pertes radiatives γ r (réflexion spéculaire) pertes non-radiatives γ nr (absorption) Absorption Wavelength (µm) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

21 Fabrication : lithographie par nano-impression douce Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

22 Absorption parfaite et omni-directionelle dans un réseau 2D de nanocavités Réseau 2D de nano-antennes optiques (absorption dans le métal) nano-cavités fabriquées par nano-impression : nm résonance plasmonique, volume de la cavité λ 3 /1000 absorption quasi-parfaite (> 90 %), et omni-directionnelle Nano Lett., 11, 3557 (2011) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

23 Cellule solaire ultra-fine en GaAs : 25 nm Résultats multi-resonant absorption moyenne (GaAs) : 70% ( nm) absorption dans le métal < 13% J sc=18 ma/cm 2 (AM1.5G solar spectrum) Efficacité (th) : 18% (V oc=1.11 V, FF=0.89) Cellules solaires simple-jonction record : 28.2 % (GaAs, 1 2 µm, AM1.5G) maximum théorique : 32 % (1 sun) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

24 Cellule solaire ultra-fine en GaAs : 25 nm Résultats multi-resonant absorption moyenne (GaAs) : 70% ( nm) absorption dans le métal < 13% J sc=18 ma/cm 2 (AM1.5G solar spectrum) Efficacité (th) : 18% (V oc=1.11 V, FF=0.89) Cellules solaires simple-jonction record : 28.2 % (GaAs, 1 2 µm, AM1.5G) maximum théorique : 32 % (1 sun) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

25 Résumé La nanophotonique permet de confiner et d absorber la lumière dans un volume nanométrique nanocavités résonantes pour l absorption parfaite de la lumière, multi-résonante, omni-directionnelle,... La nanophotonique : de nouvelles architectures pour des cellules solaires 10 à 50 fois plus fines. Reste un défi technologique à relever! 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si Back contact (indirect bandgap) ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient and ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate < 100 nm Ag nanophotonics ( λ) 1-2 µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) ~ 100 nm ultrathin absorbing absorber layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18

26 Merci pour votre attention! La nanophotonique permet de confiner et d absorber la lumière dans un volume nanométrique nanocavités résonantes pour l absorption parfaite de la lumière, multi-résonante, omni-directionnelle,... La nanophotonique : de nouvelles architectures pour des cellules solaires 10 à 50 fois plus fines. Reste un défi technologique à relever! 1 Anti-reflection coating Shockley-Queisser limit (η 33%) 2 Above Shockley-Queisser 3 Lambertian light scattering conventional optics (> λ) ~ µm Si Back contact (indirect bandgap) ~ 1-3 µm GaAs, a-si, CdTe, CIGS (direct bandgap) Glass substrate anti-reflection, light scattering more efficient and ~ 5-10 µm III-V or Ge GaAs or Ge substrate < 100 nm Ag nanophotonics ( λ) 1-2 µm Si mirror host substrate diffractive grating (~ λ) ~ 100 nm ultrathin absorbing absorber layer guided modes, plasmonic nanocavities (< λ) Stéphane Collin (LPN-CNRS) Nanophotonique pour le PV Paris, 23 octobre / 18