Soutenance de thèse de François ATTEIA

Le piégeage de la lumière est un phénomène initialement observé dans la nature. Avec l’apparition de nouvelles technologies, en particulier aux échelles nano, il connaît aujourd’hui une forte évolution. Ainsi la capacité à capter la lumière sur des plages spectrale et angulaire étendues est devenue essentielle pour un nombre croissant d’applications, parmi lesquelles on peut citer la récupération et la conversion de l’énergie solaire en chaleur ou en électricité et l’imagerie. Le piégeage de la lumière met ainsi en œuvre différentes formes de nanostructures : des couches minces optiques, des nanostructurations de surfaces des matériaux qui peuvent être périodiques (réseaux, cristaux photoniques, structures plasmoniques métalliques, diffuseur de MIE) ou aléatoires en exploitant la diffusion de la lumière. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est de développer un procédé de texturation de silicium (appelé « Black Silicon ») à température ambiante par gravure plasma qui sera intégré à un dispositif optoélectronique. Pour atteindre ce but, le travail de thèse s’est articulé dans un premier temps autour du procédé de réalisation du Black Silicon (BS) sur de larges surfaces, puis sur la conception et la fabrication d’un dispositif optoélectronique, dans notre cas une cellule photovoltaïque à contacts arrières. Ces études s’appuient également sur des travaux de modélisation et de simulation exploitant les logiciels SILVACO et Lumérical. La première étude a conduit à la réalisation d’une gravure à température ambiante, homogène sur 4 pouces et avec une absorption supérieure à 99% sur toute la gamme du visible. Le second travail a permis d’obtenir des cellules photovoltaïques sans texturation avec un rendement de 13%. Enfin l’étude de l’intégration de la texturation dans le procédé de réalisation d’une cellule photovoltaïque est encore en cours au moment de la rédaction de ce manuscrit. Le dernier verrou qui subsiste étant la passivation chimique et par effet de champ des nanostructures de silicium constitutives du Black Silicon. En effet, la production des nanostructures entraîne une augmentation conséquente des recombinaisons de surface. L’utilisation d’une couche d’Al2O3 par ALD apparaît comme la solution à cette problématique : l’ALD permettant un excellent recouvrement des nanostructures entraînant une passivation chimique efficace. De plus, l’Al2O3, suivi d’un recuit adapté apporte la passivation par effet de champ. Valider cette étape de passivation est la condition nécessaire pour l’utilisation de Black Silicon sur des dispositifs optoélectroniques tels que les cellules photovoltaïques ou les imageurs de type CMOS. En conclusion, la nanostructuration de surface du Silicium, par le procédé que nous avons développé et la preuve de concept réalisée sur des cellules photovoltaïque à contacts arrières interdigités, offrent de nombreuses perspectives dans le domaine de la captation et de la conversion de l’énergie solaire mais également en imagerie.

Light trapping is a phenomenon initially observed in the nature. It is undergoing a strong evolution, with the appearance of new technologies, in particular at the nano scales. The ability to capture light over wide spectral and angular ranges has become essential for a growing number of applications, in particular the harvesting and conversion of solar energy into heat or electricity and imagery. Light trapping implements different forms of nanostructures: optical thin films, surface nanostructurations which can be periodic (array, photonic crystals, metallic plasmonic structures, MIE scatterers) or random by exploiting the scattering of light. In this context, the main objective of this PhD is to develop a silicon texturing process (called "Black Silicon") at room temperature by plasma etching which will be integrated into an optoelectronic device. To achieve this goal, the thesis work was first structured around the realization of the Black Silicon (BS) on large surfaces, then on the design and manufacture of an optoelectronic device, in our case a photovoltaic cell with interdigitated back contacts. These studies are also based on modeling and simulation work using SILVACO and Lumerical softwares. The first study led to an etching performed at room temperature, homogeneous over 4 inches and with an absorption higher than 99% over the entire visible range. The second work made it possible to obtain photovoltaic cells without texturing with a 13% efficiency. Finally, the study of the texturing integration into the process of producing photovoltaic cells is still in progress at the time of writing this manuscript. The last remaining locks are the chemical and field effect passivation of the silicon nanostructures constituting the Black Silicon. Indeed, the production of nanostructures leads to a consequent increase in surface recombination. The use of Al2O3 ALD layer appears to be a solution to this problem: ALD allows excellent covering of nanostructures resulting in efficient chemical passivation. In addition, Al2O3, followed by annealing, provides passivation by field effect. Validating this passivation step is the necessary condition for using Black Silicon on optoelectronic devices such as photovoltaic cells or CMOS type imagers. In conclusion, the surface nanostructuring of Silicon, by the process that we have developed and the proof of concept carried out on photovoltaic cells with interdigitated back contacts, offer numerous perspectives in the field of energy harvesting and solar conversion but also in imaging.