Theoretical and experimental study of light-nanoparticle interactions in high efficiency solar cells

Abstract

[EN] This thesis studies the optical properties of random arrays of metal nanoparticles in multilayered substrates such as a solar cell, as well as the electrooptic consequences for those substrates. This study difers from traditional models which assume independent spherical particles in an homogeneous medium. Moreover, the efects beyond the near field range are studied because substrates thicker than 150µm are used. The study in this thesis uses two main approaches:

a) A theoretical approach based on simulations and analytical models. Starting with the traditional methods (Mie), alternatives are considered for considering the substrate efect, the shape of the nanoparticles as well as the efect of the surrounding nanoparticles. For this, the use of Green functions and the Sommerfeld identity are presented as interesting strategies against traditional numerical model that are not suitable due to the complexity of the system that leads to huge power, time and memory consumptions. Nevertheless, the analytical approach has its limits and dificulties, that are analysed in this thesis. The results obtained in the thesis are compared with experimental data and a critical analysis is performed to check the real suitability and the scope of this strategy for simulating these kinds of systems.

b) An experimental approach, in which special attention has been paid to the self-aggregation method as a quick way of integrating the nanoparticles on the final device. Some issues have been detected and studied related with the degradation of the nanoparticles, and some strategies to minimise this efect are presented. Integrated samples have been prepared using diferent integration approaches. From the measurements and their analysis the infuence of the substrate and other factors on the nanoparticle behaviour is confrmed, and the enhancement potential of the solar cell is studied. This thesis has been carried out at Valencia Nanophotonics Technology Center (NTC, in Spain) partly in the context of the LIMA european project (FP7-ICT-2009.3.8) and has included a short term scientific mission at the Laboratory of Photonics and Nanostructures (CNRS-LPN) at Marcoussis (France).

[ES] En esta tesis se realiza un estudio de las propiedades ópticas de agrupaciones aleatorias de nanopartículas metálicas cuando éstas se depositan en un sustrato multicapa como una célula solar, así como las consecuencias electroópticas sobre dicho sustrato. Este estudio supone una diferencia importante con respecto a las hipótesis de modelos tradicionales en los que se suponen partículas individuales, perfectamente esféricas y en medios homogéneos. Además, estudia los efectos más allá del campo cercano al utilizar sustratos de más de 150µm de grosor. El trabajo de esta tesis gira en torno a dos enfoques principales:

a) Un enfoque más teórico basado en simulaciones y modelos analíticos. Partiendo de los métodos tradicionales (Mie), se estudian métodos para incluir el efecto del sustrato, de la forma de las partículas y el efecto de las partículas cercanas. Para este fin, el uso de funciones de Green y de la identidad matemática de Sommerfeld se presentan como alternativas de gran interés frente al uso de modelos numéricos, inviables dada la complejidad del sistema y los recursos de memoria y tiempo necesarios. Aún así, los modelos analíticos presentan sus propias limitaciones y difcultades que son analizadas en esta tesis. Las soluciones obtenidas con estos modelos se han comparado con datos experimentales y un análisis crítico se ha llevado a cabo para determinar el alcance y la fabilidad de estas estrategias de simulación.

b) Un enfoque más experimental, en el que se ha hecho especial hincapié en la autoagregación de capas finas como vía rápida para integrar las partículas en el dispositivo fnal. También se han estudiado los problemas asociados a la estabilidad de las nanopartículas con el tiempo y a cómo minimizar la degradación. Por otro lado, se han preparado varios dispositivos integrados siguiendo distintas estrategias y de cuyas medidas y análisis se ha confrmado el efecto del sustrato y otros factores sobre el comportamiento de las nanopartículas, así como estudiado la potencial mejora de la eficiencia en células solares. Esta tesis se ha realizado en su mayoría en el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valéncia (NTC, en España) enmarcada parcialmente en el proyecto europeo LIMA (FP7-ICT-2009.3.8) y ha incluido una estancia investigadora en el Laboratorio de Fotónica y Nanoestructuras (CNRS-LPN) en Marcoussis (Francia).

[CA] En aquesta tesi es realitza un estudi de les propietats òptiques d'agrupacions aleatòries de nanopartícules metàl·liques quan aquestes es depositen sobre un substrat multicapa com una cel·lula solar, així com les consequències electroòptiques resultants en el substrat. Aquest estudi presenta una difèrencia important amb les hipotesis de models tradicionals en els quals es suposa una partícula tota sola, perfectament esfèrica i en un medi homogeni. A més a més, s'estudiaran els efectes més enlla del camp proper a l'utilitzar substrats de més de 150µm d'espessor. El treball d'aquesta tesi es fara mitjançant dues estratègies principalment:

a) Un enfocament més teòric emprant simulacions i models analítics. Començant amb models tradicionals (Mie), s'estudiaran estratègies per a incloure l'efecte d'un substrat, de la forma de les partícules així com el de la presència de partícules al voltant. Amb aquesta fnalitat, les funcions de Green i la identitat matemàtica de Sommerfeld es presenten com unes eines de gran interés comparat amb l'ús de mètodes numèrics tradicionals, els quals tenen uns requeriments excessius de memòria i temps de càlcul. Amb tot, aquests models analítics també tenen les seues limitacions i dificultats que són estudiades en la tesi. Les solucions obteses amb aquests models s'han comparat amb dades experimentals i s'ha fet un anàlisi crític per determinar l'abast de la validesa i la fiabilitat d'aquestes estrategies de simulació.

b) Un enfocament més experimental, en el qual s'ha posat l'accent en l'auto-agregació de pel·lícules fines com a estratègia per a l'integració de les partícules en el dispositiu fnal. També s'han estudiat els problemes associats a l'estabilitat de les partícules amb el temps així com vies per a minimitzar aquesta degradació. D'altra banda, s'han preparat diversos dispositius integrats mitjannant diferents estratègies i a partir de les mesures de les quals s'ha confirmat l'efecte del substrat i d'altres factors en el comportament de les nanopartícules i s'ha estudiat la potencial millora de l'eficiència de la cèl·lula solar. Aquesta tesi s'ha dut a terme majoritàriament en el Centre de Tecnologia Nanofotonica de Valéncia (NTC) parcialment enmarcada en el projecte europeu LIMA (FP7-ICT-2009.3.8), i inclou la realització d'una estància al Laboratori de Fotònica i Nanoestructures (CNRS-LPN) en Marcoussis (França).