L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm.

Cette thèse présente des cellules solaires en silicium deposées par plasma dans lesquelles la lumière est piégée par un réseau désorganisé de nanofils de silicium. Le dépôt sous vide des nanofils permet de contourner les étapes de texturation de substrat typiquement requises pour augmenter le parcours moyen des photons dans les cellules solaires en couches minces classiques. Des gouttes d'étain et d'indium servant à catalyser la croissance de ces nanofils ont été déposées et disposées sous vide sur des substrats d'oxide trasparent conducteur. Des agencements de gouttes métalliques aux diamètres et densités couvrant plusieurs ordres de grandeur ont été obtenus en optimisant les matériaux et les conditions de dépôt utilisés. En comparant l'aptitude de différents métaux à catalyser la croissance de nanofils de silicium, des distinctions majeures ont été établies entre les métaux de transition et Sn, In, Bi, Ga, Pb et Al. Le cas des nanofils de silicium catalysés par des gouttes d'étain a été étudié en profondeur. Des réseaux désorganisés de nanofils dopés de type P ont été recouverts de couches de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque et dopés N, ainsi que d'une couche d'oxide d'ITO pour former des réseaux de 107 jonctions PIN radiales couvrant des surfaces de 3,1 mm². Ces cellules présentent des tensions à circuit ouvert de 0,8 V et des courants de court-circuit de 13 mA/cm² bien qu'elles soient entièrement déposées par des étapes sous vide sur des substrats non texturés.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'inflžuence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanols par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5 µm.

Dans cette thèse, nous avons utilisé un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à basse température afin de fabriquer des minimodules à base de cellules solaires à jonction radiale (RJ SiNWs) sur des substrats de verre de 5x5 cm² en employant la gravure laser pour la mise en série des cellules.Nous avons utilisé une couche de 600 nm d’épaisseur de dioxyde d’étain dopée au fluor (FTO) déposée sur du verre sodocalcique (SLG). La couche de FTO sert à la fois de contact arrière pour le module et de source de catalyseur Sn une fois la couche de FTO réduite par un plasma de H2. Ensuite, on fait croître des SiNW dopés p par le procédé Vapor-Liquid-Solid (VLS) assisté par plasma, suivi d’un dépôt d’une couche de Si intrinsèque a-Si:H et d’une couche de Si dopée n µc-SiOx:H, afin d’obtenir une cellule solaire à jonction radiale PIN. Nous avons obtenu une efficacité énergétique de 6.3 % avec une surface active de 0.126 cm². C’est à notre connaissance l’efficacité la plus élevée obtenue en utilisant une couche de FTO comme source de catalyseur Sn.La gravure laser a été utilisée pour retirer localement des couches minces dans l’objectif de fabriquer des minimodules solaires. Grâce à la gravure laser, une connexion monolithique en série entre les cellules solaires à jonction radiale adjacentes a pu être accomplie. Dans cette thèse, la gravure laser a servi à retirer localement la couche de FTO ainsi que les RJ SiNWs, étapes appelées respectivement P1 et P2. On dépose ensuite une couche transparente d’oxyde d’indium-étain (ITO), servant de contact avant, par pulvérisation cathodique (étape P3), et on procède à la séparation en bandes par la technique « lift-off ». Nous avons mené une étude détaillée de l’étape P2 de gravure obtenue par un laser vert (532 nm) et IR (1064nm). La puissance du laser a un impact direct sur l’ablation des RJ SiNWs, et peut aussi endommager le contact arrière de la cellule. Nous avons déterminé que le laser vert entraîne une fonte partielle de matériau sur les bords de la zone gravée, contrairement au laser IR qui produit des gravures de meilleure qualité. La cartographie Raman des zones gravées permet une analyse des matériaux dans la zone étudiée, et a donné des indications sur la composition des résidus laissés par les impulsions laser. Nous avons démontré que l’utilisation du laser IR pour l’étape P2 de gravure est préférable. Elle permet d’avoir des connexions en série de haute qualité entre les cellules.Enfin, le mini-module optimisé de 10 cm² à base de RJ SiNWs a atteint un rendement de conversion énergétique de 4.37 % avec une puissance générée de 44 mW, grâce à l’amélioration de l’étape P2 et de l’impression par jet d’encre d’une grille dense d’Ag. À notre connaissance, cette puissance générée est la plus élevée rapportée pour des modules solaires à base de cellules à jonction radiale. / In this thesis, we have used a low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor to fabricate Si nanowire radial junction solar mini-modules on 5x5 cm2 glass substrates with the assistance of the laser scribing technique for the series connection of the cells.We have used fluorine-doped tin oxide (FTO) deposited on soda-lime glass substrates (SLG) as a back contact as well as the source of the Sn catalyst which was formed by a direct reduction of FTO using a H2 plasma. Subsequently, p-type SiNWs were grown using plasma-assisted vapor liquid solid (VLS) process, followed by the deposition of intrinsic a-Si:H and n-type µc-SiOx:H layers to achieve pin radial junction solar cells. We have obtained an energy conversion efficiency of 6.3 % with an active area of solar cells of 0.126 cm2, which is to our knowledge, the highest efficiency obtained based on FTO layers as a source of Sn catalyst.Laser scribing was used to perform a selective removal of thin-film materials in order to fabricate minimodules. With laser scribing, a monolithic series connection between adjacent RJ SiNW solar cells on the same glass substrate was achieved. In particular, the laser scribing system has been used to perform selective removal of FTO thin-film and RJ SiNWs, which are commonly known as step P1 and P2, respectively, and to perform a final scribe to isolate the active region from the rest of the substrate. The transparent top ITO contact was sputtered and cell stripes were defined using the lift-off technique (step P3).We have carried out a detailed study of the P2 laser scribe obtained with either green (532 nm) or IR (1064 nm) laser setups. The power of the laser has to be controlled as it has a direct impact on the removal of SiNW RJs and it can damage the underneath FTO contact. We have found that the scribing using a green laser produces a partial melting outside the scribed spots, unlike the IR laser which provides a cleaner scribing and less crystallized material at the edges of scribed spots. Mapping of the scribed spots using Raman spectroscopy allowed analyzing the material composition within the scanned area inside the craters left by the laser pulses. We have demonstrated that the use of the IR laser is preferable for P2 scribing because it can provide a high-quality series connection between cells.Finally, the optimized 10 cm2 SiNW RJ mini-module has reached an energy conversion efficiency of 4.37 % with power generation of 44 mW, thanks to the improved P2 laser scribing and the dense Ag grid printed using the ink-jet method. This performance represents, to the best of our knowledge, the highest reported power generation for silicon nanowire-based solar modules on glass substrates.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm. / The objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. The influence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion efficiency of 5% is measured on a solar cell with 1.5µm high silicon nanowires.

L'objectif de cette thèse est de réaliser l'intégration monolithique de nanofils (NFs) à base de l’alliage Al0.2Ga0.8As sur des substrats de Si par épitaxie par jets moléculaires via la méthode vapeur-liquide-solide (VLS) auto-assistée et de développer une cellule solaire tandem (TSC) à base de ces NFs.Pour atteindre cet objectif, nous avons tout d'abord étudié la croissance de NFs GaAs, étape clé pour le développement des NFs p-GaAs/p.i.n-Al0.2Ga 0.8As coeur/coquille, qui devraient constituer la cellule supérieure de la TSC. Nous avons montré, en particulier, l'influence de l'angle d'incidence du flux de Ga sur la cinétique de croissance des NFs GaAs. Un modèle théorique et des simulations numériques ont été réalisées pour expliquer ces résultats expérimentaux.Nous avons ensuite utilisé le savoir-faire acquis pour faire croître des NFs p-GaAs/p.i.n-Al0,2Ga0,8As coeur/coquille sur des substrats de Si prêts pour l'emploi. Les caractérisations EBIC réalisées sur ces NFs ont montré qu'ils sont des candidats potentiels pour la réalisation d’une cellule photovoltaïque. Nous avons ensuite fait croître ces NFs sur des substrats de Si patternés afin d'obtenir des réseaux réguliers de ces NFs. Nous avons développé un protocole, basé sur un pré-traitement thermique, qui permet d'obtenir des rendements élevés de NFs verticaux (80-90 %) sur une surface patternée de 0,9 x 0,9 mm2.Enfin, nous avons consacré une partie de notre travail à définir le procédé de fabrication optimal pour la TSC, en concentrant notre attention sur le développement de la jonction tunnel de la TSC, l'encapsulation des NFs et le contact électrique supérieur du réseau de NFs. / The objective of this thesis is to achieve monolithical integration of Al0.2Ga0.8As-based nanowires (NWs) on Si substrates by molecular beam epitaxy via the self-assisted vapour-liquid-solid (VLS) method and develop a NWs-based tandem solar cell (TSC).In order to fulfil this purpose, we firstly focused our attention on the growth of GaAs NWs this being a key-step for the development of p-GaAs/p.i.n-Al0.2Ga0.8As core/shell NWs, which are expected to constitute the top cell of the TSC. We have shown, in particular, the influence of the incidence angle of the Ga flux on the GaAs NW growth kinetic. A theoretical model and numerical simulations were performed to explain these experimental results.Subsequently, we employed the skills acquired to grow p-GaAs/p.i.n-Al0.2Ga0.8As core/shell NWs on epi-ready Si substrates. EBIC characterizations performed on these NWs have shown that they are potential building blocks for a photovoltaic cell. We then committed to growing them on patterned Si substrates so as to obtain regular arrays of NWs. We have developed a protocol, based on a thermal pre-treatment, which allows obtaining high vertical yields of such NWs (80-90 %) on patterned Si substrates (on a surface of 0.9 x 0.9 mm2).Finally, we dedicated part of our work to define the optimal fabrication process for the TSC, focusing our attention to the development of the TSC tunnel junction, the NW encapsulation and the top contacting of the NWs.

Dans cette thèse, nous avons fabriqué des cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium avec du silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H) comme absorbeur, par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à basse température (PECVD). Pour contrôler la densité de nanofils sur les substrats, nous avons utilisé des nanoparticules (NP) de dioxyde d'étain (SnO₂) d'un diamètre moyen de 55 nm, disponibles dans le commerce, comme précurseur du catalyseur Sn pour la croissance des nanofils de silicium. La distribution des nanoparticules de SnO₂ sur le substrat a été contrôlée par centrifugation et dilution du colloïde de SnO₂, en combinaison avec la fonctionnalisation du substrat. Par la suite, le SnO₂ est réduit en Sn métallique après le traitement par plasma de H₂, suivi de la croissance, par la technique vapeur-liquide-solide (VLS) assistée par plasma, de nanofils de Si sur lesquels sont déposées les couches P, I et N constituant les cellules solaires à jonction radiale. Nous avons atteint un taux de croissance élevé des nanofils de Si, jusqu'à 70%, avec une très large gamme de densité, de 10⁶ à 10⁹ /cm². Comme approche supplémentaire de contrôle de la densité des nanofils, nous avons utilisé du Sn évaporé comme précurseur du catalyseur Sn. Nous avons étudié l'effet de l'épaisseur de Sn évaporé, l'effet de la durée du traitement au plasma de H₂ et l'effet du débit de gaz H₂ dans le dans le mélange de précurseurs, sur la densité des nanofils. L'ellipsométrie spectroscopique in-situ (SE) a été utilisée pour contrôler la croissance des nanofils et le dépôt des couches de µc-Si:H sur les SiNWs. En combinant les résultats de in-situ SE et de microscopie électronique à balayage, une relation entre l'intensité du signal de SE pendant la croissance et la longueur et la densité des nanofils a été démontrée, ce qui permet d'estimer ces paramètres en cours de croissance. Nous avons réalisé une étude systématique des matériaux (couches intrinsèques et dopées de type n ou p de µc-Si:H, couches dopées d'oxyde de silicium microcristallin hydrogéné, µcSiOx:H) et des cellules solaires obtenues dans deux réacteurs à plasma appelés "PLASFIL" et "ARCAM". Les épaisseurs de revêtement sur substrat lisse et sur les nanofils ont été déterminées et nous avons obtenu une relation linéaire entre les deux, ce qui permet de concevoir un revêtement conforme sur les nanofils pour chaque couche avec une épaisseur optimale. Les paramètres des nanofils et des matériaux, affectant la performance des cellules solaires à jonction radiale, ont été systématiquement étudiés, les principaux étant la longueur et la densité des nanofils, l'épaisseur de la couche intrinsèque de µc-Si:H, l'utilisation de µc-SiOx:H et le réflecteur arrière en Ag. Enfin, avec les cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium optimisées utilisant le µc-Si:H comme absorbeur, nous avons atteint un rendement de conversion de l'énergie de 4,13 % avec Voc = 0,41 V, Jsc = 14,4 mA/cm² et FF = 69,7%. Cette performance est supérieure de plus de 40 % à l'efficacité record de 2,9 % publiée précédemment. / In this thesis, we have fabricated silicon nanowire (SiNW) radial junction solar cells with hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) as the absorber via low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). To control the density of NW on the substrates, we have used commercially available tin dioxide (SnO₂) nanoparticles (NPs) with an average diameter of 55 nm as the precursor of Sn catalyst for the growth of SiNWs. The distribution of SnO₂ NPs on the substrate has been controlled by centrifugation and the dilution of the SnO₂ colloid, combined with the functionalization of the substrate. Subsequently, SnO₂ is reduced to metallic Sn after the H₂ plasma treatment, followed by the plasma-assisted vapor-liquid-solid (VLS) growth of SiNWs upon which the P, I and N layers constituting the radial junction solar cells are deposited. We have achieved a high yield growth of SiNWs up to 70% with a very wide range of NW density, from 10⁶ to 10⁹ /cm². As an additional approach of controlling the density of SiNWs we have used evaporated Sn as the precursor of Sn catalyst. We have studied the effect of the thickness of evaporated Sn, the effect of duration of H₂ plasma treatment and the effect of H₂ gas flow rate in the plasma, on the density of SiNWs.In-situ spectroscopic ellipsometry (SE) was used for monitoring the growth of SiNWs and the deposition of the layers of μc-Si:H on SiNWs. Combining in-situ SE and SEM results, a relationship between the intensity of SE signal and the length and the density of SiNWs during the growth was demonstrated, which allows to estimate the density and the length of SiNWs during the growth. We have carried out a systematic study of materials (intrinsic, p-type,n-type µc-Si:H and µcSiOx:H doped layers) and solar cells obtained in two plasma reactors named “PLASFIL” and “ARCAM”. The thicknesses of coating on the flat substrate and on the SiNWs have been determined with a linear relation which helps to design a conformal coating on SiNWs for each layer with an optimal thickness. The parameters of the SiNWs and the materials, affecting the performance of radial junction solar cells, have been systematically studied, the main ones being the length and the density of SiNWs, the thickness of intrinsic layer of μc-Si:H on SiNWs, the use of the hydrogenated microcrystalline silicon oxide (μc-SiOx:H) and the back reflector Ag. Finally, with the optimized silicon nanowire radial junction solar cells using the μc-Si:H as the absorber we have achieved an energy conversion efficiency of 4.13 % with Voc = 0.41 V, Jsc = 14.4 mA/cm² and FF = 69.7%. This performance is more than 40 % better than the previous published record efficiency of 2.9 %.