Thermoelectric and photovoltaic effects in hot carrier solar cells

La cellule solaire à porteurs chauds est un dispositif à haut rendement de conversion qui permettrait de réduire significativement le coût de l’énergie qu’il génère. Ces cellules fonctionnent avec des électrons et des trous en non-équilibre thermique avec le réseau cristallin du materiau grâce à la réduction des pertes d’énergie des porteurs, nécessitant le développement de contacts électriques sélectifs en énergie des porteurs en non-équilibre. La conception des contacts sélectifs nécessite une bonne connaissance des propriétés des porteurs dans le matériau considéré. Une méthode permettant de séparer les propriétés de chaque porteur par l’analyse de spectres de photoluminescence du matériau est proposée. Disposant de mesures de photoluminescence résolues spatialement, une seconde méthode a été développée pour approcher les coefficients de transport de chaque porteur dans le matériau : ces coefficients sont mesurés en une seule fois, par une méthode optique sans contacts. Ensuite le fonctionnement des contacts sélectifs est détaillé, démontrant la difficulté d’une stabilité électrique du système en courant continu, contrairement aux dispositifs photovoltaïques classiques. Quelques pistes de fabrication expérimentales avec des molécules et des boîtes quantiques colloïdales ont également été étudiées. Enfin, en combinant les résultats de ces travaux sur le semiconducteur photosensible et sur les contacts, un modèle de simulation a été développé. Il intègre les principaux mécanismes de pertes des porteurs, résultant ainsi en une généralisation de différents modèles précédemment étudiés dans la littérature. Un lien entre le dispositif étudié et les machines thermiques est proposé.The hot carrier solar cell is a high conversion yield device that could enable to significantly reduce thecost of the energy it generates. Unlike classical photovoltaic devices, these cells work with electronsand holes in thermal non-equilibrium with the lattice of the material, due to the reduction of thelosses by thermalization. This specific feature require the development of energy selective contacts fornon-equilibrium carriers. The design of energy selective contacts require a good knowledge of the carrier properties in the considered material. A method enabling to separate the properties of each carrier with the analysis of photoluminescence spectra of the material is proposed. Having spatially resolved photoluminescence measurements, a second method has been developed to estimate the transport coefficients of each carrier in the material: these coefficients are measured with a one-probe optical contactless technique. Then the working principle of the energy selective contacts is studied, showing thereby the challenge of a direct current electrical stability of the system, unlike classical photovoltaïc devices. Some experimental manufacturing with molecules and colloidal quantum dots have also been studied. Last, combining the obtained results on the semiconductor and on the contacts, a modeling tool breaking the symmetry between carriers has been developed. The model takes two principal loss mechanisms of the carrier into account, leading thereby to a generalization of different models previously studied in the literature. More global thermodynamic aspects also show the link between the studied device and the heat engines