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 %.