Soutenance de thèse de Benoit Galvani - 11/10/19 - Modélisation du transport électronique quantique : Effet du confinement et des collisions dans les cellules solaires

Modélisation du transport électronique quantique : Effet du confinement et des collisions dans les cellules solaires

La soutenance aura lieu dans la salle des thèses de St Jérôme à 10h30 le vendredi 11 octobre devant le jury:

James CONNOLLY Laboratoire GeePs, Gif sur Yvette, Rapporteur
Didier MAYOU Institut Néel, Grenoble, Rapporteur
Claudine KATAN Institut des sciences chimiques, Rennes, Examinatrice
Michel LANNOO IM2NP, Marseille, Examinateur
Nicolas CAVASSILAS IM2PN, Marseille, Directeur de thèse
Fabienne MICHELINI IM2NP, Marseille, Co-directrice de thèse
 

L’énergie photovoltaïque est un bon candidat pour la production d’énergie renouvelable compte tenu du contexte écologique et climatique actuel. Cependant, le rendement des cellules photovoltaïques est limité. Cette limite, appelée limite de Shockley-Queisser, représente le compromis entre la non-exploitation des photons d’énergie insuffisante et les pertes par thermalisation des porteurs photo-générés à hautes énergies. Il existe des dispositifs permettant de dépasser cette limite, à l’état de concept (cellules à bandes intermédiaires, porteurs chauds) ou déjà en application (multi-jonctions). Tous ces dispositifs reposent sur les propriétés quantiques des porteurs et de leur transport, et la compréhension des phénomènes physiques survenant à ces échelles est un point essentiel à l’élaboration de nouvelles solutions. L’objectif de ce travail de thèse consiste à réaliser une étude numérique des effets liés au confinement et aux collisions dans des cellules solaires. Dans une première partie consacrée au modèle théorique implémenté, nous détaillons le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre et son utilisation dans le cadre de notre étude. Nous proposons un modèle numérique permettant de prendre en considération les interactions electron-phonon et électron-photon au moyen de self-energie d’interaction. La deuxième partie sera centrée sur l’étude et la modélisation d’une cellule solaire à base de puits quantiques. Le calcul de la densité d’états locale a permis de mettre en évidence le phénomène de minibandes survenant dans les systèmes périodiques quantiques. L’exploitation des propriétés de transport des minibandes, notamment la délocalisation des porteurs, offre un axe supplémentaire d’étude pour l’ingénierie de dispositifs hauts-rendements. La troisième partie est consacrée à l’étude d’une cellule solaire à base de matériaux pérovskites hydrides. Déjà utilisé pour la conception de cellules tandem, il subsiste toutefois des incertitudes concernant les mécanismes de transport des porteurs dans de tels matériaux organiques-inorganiques. Notre travail a permis d’apporter des éléments de compréhension sur les effets de l’interaction électron-phonon dans ce matériau, en particulier sur les propriétés optiques et sur les caractéristiques électriques du dispositif.
L’ensemble de l’étude offre à la fois les éléments nécessaires à la modélisation de cellules solaires et un exemple d’application du formalisme dans le cas de deux dispositifs où la prise en compte de la mécanique quantique est indispensable. 

Photovoltaic energy is a good candidate for the production of renewable energy given the current ecological and climatic context. However, the efficiency of photovoltaic cells is limited. This limit, called the Shockley-Queisser limit, represents the compromise between the non-exploitation of low energy photons and the thermalization losses of high-energy photo-generated carriers. There are devices that can overcome this limit, as a form of concept (intermediate band cells, hot carriers) or already in use (multi-junctions). All these devices are based on the quantum properties and transport of carriers, and the understanding of the physical phenomena occurring at these nanoscales is a key component to the development of new solutions. The goal of this thesis is to conduct a numerical study of the effects of confinement and scattering in solar cells. In a first part dedicated to the theoretical model, we detail the non-equilibrium Green’s functions formalism and its use in the context of our study. We give details on the numerical model of electron-phonon and electron-photon scatterings with interaction self-energies. The second part is focused on the study and modeling of a multi quantum wells solar cell. Calculations of the local density of states permit to highlight the phenomenon of minibands occurring in such quantum periodic systems. The exploitation of miniband transport properties, particularly the delocalization of carriers, offers an additional axis of study for the engineering of high-efficiency devices. The third part is devoted to the study of a solar cell based on perovskite hydride materials. Already used for the design of tandem cells, there is still uncertainties concerning carrier transport mechanisms in such organic-inorganic materials. Our work has provided information about the effects of electron-phonon scattering in such materials, in particular on the optical properties and electrical characteristics of the device. The whole study offers both the main components for modeling solar cells and examples of application of the Green’s function formalism in the case of two devices in which quantum mechanics is needed.