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Grenoble INP
Physico chemistry of solids, thin films, biotechnologies
Applications for micro & nano- technologies, energy, health ...

Thesis defense by Shan-Ting Zhang

Published on February 6, 2017
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PhD Defense March 23, 2017
2:00pm- Amphi M001 -  Ground Floor - PHELMA
Grenoble INP - Phelma
3 parvis Louis Néel - 38000 Grenoble
Accès : TRAM B arrêt Cité internationale
Free entrance - No registration

Study of fluorine-doped tin oxide (FTO) thin films for photovoltaics applications/Etude des couches minces à base d'oxyde d'étain dopé au fluor pour applications photovoltaïques

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Mots-clés/ keywords:
FTO, nanocomposite, Electrodes transparentes et conductrices, Photovoltaïque (PV) en couche mince/ FTO, nanocomposite, transparent conductive electrodes, thin film Photovoltaic (PV)

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Résumé :
Avec la demande toujours croissante d'énergie à laquelle l’homme fait face, le photovoltaïque (PV), qui convertit le rayonnement solaire en électricité, a connu ces dernières décennies un développement important. Bien que le marché PV actuel soit principalement dominé par les technologies à base de Si cristallin, la technologie PV à base de couches minces porte toujours l'espoir de contribuer efficacement à l'avenir vis-à-vis de la crise énergétique en raison de son coût beaucoup plus faible et d'une efficacité raisonnable.
Les matériaux transparents conducteurs (TCM), principalement des oxydes conducteurs transparents (TCO), sont une composante essentielle dans la plupart des types de cellules solaires à couches minces car ils servent d'électrode de collecte des porteurs photo-générés sur la face avant de la cellule, c’est-à-dire celle face au soleil. Afin d'améliorer l'absorption optique (limitée par l'épaisseur de l'absorbeur) dans des cellules solaires à couches minces, on souhaite souvent que les TCO soient texturés (avec une rugosité de surface significative) de manière à bien diffuser la lumière, et ainsi de présenter des valeurs élevées de facteur de diffusion de la lumière. Ce dernier, que l’on peut appeler facteur de haze, est défini comme le rapport entre la transmittance (respectivement réflectance) diffuse et la transmittance (respectivement réflectance) totale. Plus ce facteur est élevé plus le TCO diffuse la lumière. Par voie de conséquence, la longueur du trajet optique est augmentée et ainsi le piégeage de la lumière dans la cellule solaire est amélioré, donnant lieu à une absorption de lumière plus importante dans les couches actives et augmentant potentiellement le rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires.
Dans ce travail, des nano-composites innovants à base de SnO2 dopé au fluor (FTO) en combinaison avec les nanoparticules ZnO, S:TiO2 et Al2O3 ont été développés en utilisant un processus économique et facile constitué de deux étapes. Ces nano-composites à base de FTO présentent une transmittance totale de 70-80% et une résistance de 10-15 Ω/sq, satisfaisant ainsi aux exigences requises pour des oxydes transparents conducteurs utilisés au sein de dispositifs photovoltaïques. En modifiant la concentration de la suspension de nanoparticules le facteur de haze de ces nano-composites peut être varié, de manière contrôlée, de presque 0% à 60%. Les propriétés morphologiques, structurales, électriques et optiques de ces nano-composites à base de FTO sont étudiées en détail et elles apparaissent étroitement dépendantes des nanoparticules sous-jacentes. Avant de discuter de l'intégration des nano-composites FTO au sein de cellules solaires, des efforts ont également été consacrés à une bonne compréhension de l'interface FTO/TiO2 qui est couramment présente au sein de divers types de cellules solaires à couches minces émergentes telles que les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSCs). Enfin, les nano-composites FTO diffusants ont été intégrés comme électrodes transparentes au sein de différents types de cellules solaires à couches minces et l'effet du facteur de haze sur la performance du dispositif a été étudié.
En ajustant correctement le type et la concentration des nanoparticules sous-jacentes, les propriétés des nano-composites à base de FTO peuvent être variées de manière à répondre aux exigences d'électrodes pour une technologie photovoltaïque spécifique. Notre concept de préparation du TCO nano-composite en combinant les TCO et les nanoparticules propose une ligne directrice générale qui conduit à l’élaboration d’électrodes à caractère diffusant variable; permettant ainsi une bonne absorption des photons pour le photovoltaïque en couches minces.

Abstract :
With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency.
Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells.
In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ω/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 60%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined.
By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics


Membres du jury/ jury members :

Prof. P. Segonds Institut Néel, CNRS, Université Grenoble Alpes Grenoble (France) Examinateur (Président)
Prof. A. Billard Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, Belfort (France) Rapporteur
Prof. B.Masenelli Institut des Nanotechnologies de Lyon-SGM, CNRS, Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Lyon (France) Rapporteur
Prof. U. Kramm Institut für Materialwissenschaft, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt (Germany) Invitée
Prof. W. Ensinger Institut für Materialwissenschaft, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt (Germany) Invité
Prof. D. Bellet LMGP, CNRS, Grenoble INP Minatec, Grenoble (France) Thesis Director
Prof. A. Klein Institut für Materialwissenschaft, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt (Germany) Thesis Co-director
Dr. D. Muñoz-Rojas LMGP, CNRS, Minatec, Grenoble (France) Thesis Co-encadrant




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Written by Michele San Martin

Date of update February 6, 2017

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