Basic knowledge of photovoltaic energy transformation, devices and materials, used in photovoltaics are summarized in this master’s thesis. Sort of degradation factors and its consequences of the photovoltaic panels are described there. Detail reviews of degradation tests are processed at the end of theoretical part. The main purpose of this research is selected covering materials dielectric properties change monitoring. These covering materials were influenced of accelerated thermal aging and increased humidity.

In this work are discussed photovoltaic cells. There are also discussed basic concepts of radiation source for solar cells. Also mentioned the issue of semiconductors and even the history and evolution of the solar cells. A large part deals with possibilities of photovoltaic cells degradation. In one chapter is an attempt to bring some types of photovoltaic cells and a description of the production of these modules.The practical part deals with photovoltaic modules degradation and its evaluation. Following part compares measured values with the values provided by producer of photovoltaic modules.

Diploma thesis mainly describes the theoretical knowledge of the topic photoimpedance spectroscopy characterization of optical and electrical properties of the photovoltaic cells, which contains development and princip of cells working, material properties of photovoltaic cells, explanation of electromagnetic waves, spectrophotometry and impedance spectroscopy, followed by a discription of the measuring device and used measuring methods. The experimental section for each measurement method describes the steps of setting the program, then the tables with measured values are involeved in some parts and a part of each method are summary graphs of measured values with subsequent evaluation.

The aim of this diploma thesis is the development of research on the topic of the draft mix for network independence. Next is the outline the various design solutions of the battery systems for accumulation electric energy and balance model energy supply system for the selected object. The practical part of diploma thesis deals with necessary resources and the size of batteries for autonomous operation during the summer months and also implements technical and economic studies aimed at finding cost-effective solutions. The work is divided into 6 chapters that contain 16 tables and 18 figures. Diploma thesis brings an option to configure a photovoltaic system and also describes the features, functions and the choice between the most used technologies. Evaluation of results of theoretical methods are described in the final part.

The aim of this thesis is to develop a deeper understanding and the technology in the nascent field of solid-state organic-inorganic perovskite solar cells. In recent years, perovskite materials have emerged as a low-cost, thin-film technology with efficiencies exceeding 16% challenging the quasi-paradigm that high efficiency photovoltaics must come at high costs. This thesis investigates perovskite solar cells in more detail with a focus on incorporating plasmonic nanostructures and perovskite film formation. Chapter 1 motivates the present work further followed by Chapter 2 which offers a brief background for solar cell fabrication and characterisation, perovskites in general, perovskite solar cells in specific, and plasmonics. Chapter 3 presents the field of plasmonics including simulation methods for various core-shell nanostructures such as gold-silica and silver-titania nanoparticles. The following Chapters 4 and 5 analyze plasmonic core-shell metal-dielectric nanoparticles embedded in perovskite solar cells. It is shown that using gold@silica or silver@titania NPs results in enhanced photocurrent and thus increased efficiency. After photoluminescence studies, this effect was attributed to an unexpected phenomenon in solar cells in which a lowered exciton binding energy generates a higher fraction of free charge. Embedding thermally unstable silver NPs required a low-temperature fabrication method which would not melt the Ag NPs. This work offers a new general direction for temperature sensitive elements. In Chapters 6 and 7, perovskite film formation is studied. Chapter 6 shows the existence of a previously unknown crystalline precursor state and an improved surface coverage by introducing a ramped annealing procedure. Based on this, Chapter 7 investigates different perovskite annealing protocols. The main finding was that an additional 130°C flash annealing step changed the film crystallinity dramatically and yielded a higher orientation of the perovskite crystals. The according solar cells showed an increased photocurrent attributed to a decrease in charge carrier recombination at the grain boundaries. Chapter 8 presents on-going work showing noteworthy first results for silica scaffolds, and layered, 2D perovskite structures for application in solar cells.

Grâce à leurs remarquables qualités de transport de charges et d’auto-organisation, les cristaux liquides colonnaires formés de molécules discotiques dérivées de colorants aromatiques sont des candidats prometteurs pour la réalisation de dispositifs photovoltaïques. Pour profiter à bien de ces propriétés, il est indispensable de maîtriser leur organisation en films minces. Un ancrage homéotrope avec les colonnes perpendiculaires au substrat est ainsi nécessaire pour conduire efficacement les charges aux électrodes. Cet alignement a été obtenu par transition d’ancrage entre un substrat solide et une cathode d’argent permettant d’obtenir des films ultra-minces (environ 25 nm d’épaisseur) homogènes orientés. Par ailleurs, une bicouche de composés discotiques intégralement alignée en ancrage homéotrope a été élaborée. A notre connaissance, ce travail constitue la première preuve de faisabilité d’une hétérojonction donneur – accepteur orientée constituée de cristaux liquides colonnaires. / Columnar liquid crystals made of discotic molecules derived from aromatic dyes are promising materials for the realization of photovoltaic devices thanks to their high charge mobility and their capacity to self-organize. In order to benefit from their anisotropic properties, it is necessary to control their organization in thin films. For example, a homeotropic anchoring where the columns are perpendicular to the substrate is required to carry the charges efficiently to the electrodes. Homogeneous homeotropically oriented ultra-thin films (approximately 25 nm) have been obtained by an anchoring transition between a solid substrate and a silver cathode. Moreover, a homeotropically oriented bilayer formed by discotic compounds has been achieved. This represents the first proof of principle of an organic heterojunction based on two oriented columnar liquid crystal layers.

Cette étude s’intéresse à la modélisation de la ségrégation des impuretés lors des procédés de solidification dirigée du silicium pour l’industrie photovoltaïque. Il s’agit d’un problème multi-physiques et multi-échelles qui nécessite des modèles efficaces pour pouvoir traiter des configurations industrielles en 3D. La première partie de l’étude porte sur le développement de fonctions de paroi solutales dans le but d’estimer la ségrégation sans résoudre numériquement la couche limite solutale. Un modèle analytique est alors utilisé pour estimer le paramètre convecto-diffusif à partir de la contrainte de frottement à l’interface solide/liquide. L’approche proposée consiste à coupler une simulation hydrodynamique de la convection dans la phase liquide et un calcul analytique de la ségrégation. Cette démarche est validée sur un cas de référence en 2D. Le modèle développé fournit une estimation pertinente de la concentration dans un lingot solidifié avec une vitesse imposée, y compris sur un maillage ne résolvant pas la couche limite solutale. La deuxième partie de l’étude concerne l’utilisation d’un système de brassage mécanique dans le but de favoriser la ségrégation des impuretés. Des simulations transitoires de brassage sont réalisées avec le logiciel FLUENT. Les résultats sont comparés à des mesures de champ de vitesse par PIV effectuées sur une maquette en eau, afin de valider le modèle hydrodynamique. La simulation de brassage est ensuite couplée à un calcul de ségrégation en régime quasi-permanent qui permet d’analyser l’influence de l’écoulement sur la couche limite solutale. Dans la dernière partie de l’étude, une simulation de solidification dirigée 3D instationnaire en régime de convection forcée, intégrant la thermique du four, est réalisée. Un modèle empirique de forces volumiques est alors proposé pour décrire l’écoulement lié au brassage dans le silicium liquide. Une première tentative d’estimation des ségrégations par l’approche analytique est ensuite mise en œuvre. / The present study focuses on solute segregation during photovoltaic silicon directional solidification. This multi-physics problem involves various spatial and temporal scales. The numerical simulation of this process requires efficient models, especially for 3D industrial configurations. In the first part of the study, solute wall functions are derived from a scaling analysis in order to estimate the segregations without numerical resolution of the solute boundary layer. The method is based on the coupling of an hydrodynamic simulation of convection in the liquid phase and an analytical segregation computation. The developed analytical model provides an estimation of the convecto-diffusive parameter from the wall shear-stress at the solid/liquid interface. A reference case in 2D with imposed solidification rate is used for validation purposes. The developed model provides a meaningful estimation of concentration fields in the ingots. In a second part, we focus on segregation optimization by a mechanical stirrer. Transient stirring simulations, using a sliding mesh technique, are achieved with FLUENT commercial software. Results are compared to PIV velocity field measurements performed on an experimental setup using water. A segregation computation in a quasi-steady regime is then implemented in the stirring simulation. The effect of the stirring parameters are directly observed on the solute boundary layer at the solid/liquid interface. In a third part, a transient solidification simulation, including furnace thermal conditions, is performed in a 3D configuration with forced convection. The flow generated by the impeller is described thanks to an empirical model based on body forces. A first attempt is finally made to retrieve segregations in the ingot with the developed analytical method.

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour réduire le prix du watt-crête de l'énergie photovoltaïque, grâce à une très faible utilisation de silicium de haute pureté. Dans notre cas, les couches actives de silicium sont supportées par des substrats, de bas coût et compatibles avec les conditions de haute température nécessaires à une croissance cristalline rapide et de bonne qualité des couches. La société S’TILE développe ces substrats, par frittage à partir de poudres de silicium, et en recristallisant les plaquettes ainsi obtenues. Le but de cette thèse est de valoriser ce substrat pour l’industrie photovoltaïque et de démontrer qu’il est adapté à la fabrication de cellules solaires à bas coût et rendement élevé. Ces travaux utilisent le procédé d’épitaxie de silicium, qui est central pour fabriquer des cellules minces. Ils s’articulent autour de deux axes principaux. Le premier est la fabrication de cellules solaires et leur optimisation sur des substrats de référence monocristallins. Dans ce cadre, de nombreuses voies ont été explorées : l’utilisation de réflecteurs de Bragg en silicium poreux, l’optimisation du dopage de l’émetteur, la formation de gradients de dopage dans la base et l’utilisation de structures à émetteur en face arrière. Ces études ont permis d’évaluer le potentiel de ces différentes voies ; des résultats prometteurs pour l’amélioration du rendement de conversion des cellules sur couches minces ont été obtenus. Le second axe de la thèse est la fabrication de cellules sur les substrats frittés préparés par S’TILE et l’application des moyens développés dans le cadre du premier axe pour améliorer ces cellules. Les rendements encoura-geants obtenus ont ainsi démontré la faisabilité de cellules solaires sur les substrats réalisés par le procédé de frittage à bas coût développé par la société S’TILE. / Crystalline silicon thin-film solar cells are promising candidates to reduce the watt-peak prices of photovoltaic energy, thanks to a much smaller use of high purity silicon. In our case, the active layers of silicon are supported by substrates. These substrates have low production costs and are compatible with the high temperature process steps, which are necessary to a rapid and high-quality crystalline growth. The company S’TILE develops these substrates, by sintering silicon powders and recrystallizing the obtained wafers. The objective of this PhD thesis is to pinpoint the relevance of this substrate for the photovoltaics industry and demonstrate that it is adapted to the fabrication of solar cells with low cost and high efficiency. This work uses the epitaxy process, which is central to fabricate these thin-film cells. It is organized in two main axes. The first one is the fabrication of solar cells and their optimization on monocrystalline reference substrates. Several optimization pathways have been tested: the use of porous silicon Bragg reflectors, the optimization of emitter doping, the base variable doping and the use of rear emitter structures. The studies permitted to unveil the potential of each pathway; promising results were obtained for the improvement of thin-film solar cell conversion efficiency. The second axis of the thesis is the cell fabrication on the substrates prepared by S’TILE and the application of the means developed in the first axis to improve these cells. Encouraging efficiencies have demonstrated the feasibility of solar cells on the substrates made by the low-cost process developed by S’TILE.

L'énergie photovoltaïque est promise à une forte croissance dans les prochaines années. Propre et renouvelable, elle possède en effet de sérieux atouts pour répondre aux grands enjeux posés par le réchauffement climatique et l'appauvrissement des ressources en énergie fossile. Elle reste néanmoins une énergie chère en comparaison des autres formes de production électrique. D'importants efforts de R&D doivent être mis en œuvre pour abaisser son coût et la rendre plus compétitive. Il existe d'ores et déjà dans les laboratoires des technologies permettant d'augmenter significativement le rendement des cellules solaires en silicium (qui représentent aujourd’hui l'essentiel du marché). Mais elles font appel le plus souvent à des procédés, comme la photolithographie, qui restent chères pour l'industrie photovoltaïque. Les technologies laser sont une voie envisagée pour répondre à ce problème. Sélectifs, sans contact et autorisant de hautes cadences, les procédés laser permettent de réaliser des structures avancées de cellules à moindre coût. Il existe ainsi une forte dynamique de recherche autour de ces procédés. Les traitements laser permettent d’usiner ou de modifier la matière, de façon rapide et fiable. Il est ainsi possible d’ablater sélectivement certains matériaux, de réaliser des tranchées ou des trous, ou encore de modifier des profils de dopage. Des architectures complexes deviennent ainsi accessibles sans recourir aux couteuses technologies de la microélectronique. C'est dans ce contexte que se déroule ce travail de thèse, financé par l'ADEME et la société SEMCO Eng., et s'inscrivant également dans le projet de l'Agence National pour la Recherche PROTERRA. Deux objectifs principaux ont motivé sa mise en place : développer un savoir-faire au laboratoire INL sur les technologies laser avec l'ambition de rejoindre les instituts leaders sur ces thématiques et transférer les procédés développés à l'équipementier SEMCO Eng. pour lui donner accès à une technologie aujourd'hui inédite dans l'industrie photovoltaïque française. Ces recherches ont porté sur les cellules photovoltaïques en silicium, dites de première génération, et se sont articulées autour de trois axes principaux : la modélisation de l'interaction laser matière, l'ablation sélective de diélectriques (notamment de la couche antireflet afin de permettre de nouvelles techniques de métallisation) et la réalisation de dopages localisés. Des cellules de grandes dimensions fabriquées en collaboration avec SEMCO Eng. et tirant parti de ces procédés ont permis d’obtenir des rendements en accord avec l’état de l’art (proche de 18 %). / Silicon solar cells still require cost reduction and improved efficiency to become more competitive. New architectures can provide a significant increase in efficiency, but today most of the approaches need additional fabrication steps. In this context, laser processing offers a unique way to replace technological steps like photolithography that is not compatible with the requirements of the photovoltaic industry. This PhD thesis will present two promising laser processes for silicon solar cells: selective laser doping and selective laser ablation. Laser-assisted diffusion of dopants is a promising way to produce at low cost advanced silicon solar cells with high efficiency. Indeed, selective emitters, which rely on high dopant concentration localized under the front electrical contacts are an effective way to reduce power losses at the front surface of silicon solar cells. Several laser-based techniques are competing to optimise the emitter geometry. One of the main approaches is to take advantage of the doping glass (usually P2O5 for p-type silicon solar cells) that is formed during the standard diffusion process. Selective laser ablation is an effective way to open the antireflection layer (SiNx) in order to perform alternative front side metallization. Indeed, in the industrial production of standard silicon solar cells, the front side metallization is made by screen printing of metal paste. This process scheme is very cost efficient but it leads to serious limitations of the solar cell efficiency. Electrochemical metallization avoids these issues but requires a selective opening of SiNx, which is usually done by photolithography. Direct laser ablation allows to consider this approach at an industrial level. These processes are presented illustrated by research conducted during this PhD at INL in laser technologies for photovoltaics. An innovative and potentially self-aligned process is also discussed, where the laser is used to open locally the antireflection and passivation coating, and at the same time, achieve local phosphorus diffusion. Moreover solar cells results above 18% have been obtained thanks to a selective emitter structure achieved with selective laser doping.

Le sujet de cette thèse porte sur l’élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) — le Ge mésoporeux et sur l’analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu’au 10 um) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maitrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d’une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux. / The subject of this thesis is the development of the new nanomaterial by bipolar electrochemical etching (BEE) - the mesoporous Ge and analysis of its physico-chemical properties for use in photovoltaic applications. The formation of mesoporous Ge by electrochemical etching has been previously reported in the literature. However, the important technological barrier of existing manufacturing processes was to obtain thick layers (above 500 nm) of the mesoporous Ge with perfectly controlled morphology. Indeed, the physico-chemical characterization of thin layers is much more complicated and the number of possible applications is very limited. We have developed an electrochemical model that describes the main mechanisms of formation of pores which allowed us to produce thick mesoporous structures of Ge (up to 10 um) with adjustable porosity in a range of 15% to 60% . In addition, the formation of porous nanostructures with well-controlled variable morphologies has now become possible. Finally, the mastery of these parametres has opened the extremely promising path towards the realization of porous multilayer structures based on Ge for many innovative and multidisciplinary applications. In particular, in the context of this thesis, the mesoporous layers of Ge were optimized for the purpose of performing a layer transfer process of a triple-junction solar cell via a sacrificial layer of porous Ge.