Design and characterization of nanometric resonant structures and advanced concentration strategies applied to photonic devices

Abstract

Efficient low-cost optoelectronic devices are used for many applications, for example, energy production, and sensing. The development of these devices can be step-forward using nanophotonic and nanoplasmonic structures. In this dissertation we propose, design, and analyze several nanostructures to improve the performance of these devices. For energy applications, we select amorphous silicon hydrogenated, and perovskite/crystallinesilicon tandem solar cells. We choose amorphous silicon solar cells because this material is abundant, non-toxic, long-life compared to organic solar cells, and can be fabricated at a low cost. The tandem perovskite/crystalline silicon solar cells are devices with potential power conversion efficiency > 30 %. Our designs are based on dielectric nanostructures. We applied a 1D nanostructure array to the top and bottom of amorphous silicon hydrogenated solar cells, in two separate designs. The absorption enhancement within the auxiliary layers of these devices is dissipated as heat and partially mitigate the defects resulted from the Staebler Wronski effect. A metasurface in the form of multilayer gratings embedded in the active layer of the perovskite top cell of the tandem device, improves the absorption efficiency in the whole device. A sawtooth periodic back texture has been optimized and tested to work with the metasurfacef or further improvement of the device performance. These nanostructures are arranged to maximize the absorption efficiency of the selected solar cells, mainly by reducing their total reflectance. The analysis and calculations are completed by modeling the conditions of the sun illumination, i.e, unpolarized light, and oblique incidence. The performance of the devices is calculated under these conditions...

Los dispositivos optoelectrónicos eficientes y de bajo coste se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, en la producción de energía y en sensores. La incorporacion de estructuras nanofotónicas y nanoplasmónicas es un paso adelante en el desarrollo de estos dispositivos. En esta tesis doctoral proponemos, diseñamos y analizamos varias nano-estructuras que mejoran el rendimiento de estos dispositivos. En aplicaciones para energía, hemos selecionado células de silicio amorfo hidrogenado, y células tándem de perovskitas y silicio cristalino. Hemos elegido las células solares de silicio cristalino porque es un material abundante, no tóxico, de larga vida comparada con las células orgánicas y fabricadas a bajo coste. Las células tándem perovskita/silicio cristalino son dispositivos con eficiencias de conversión superiores al 30 %. Nuestros diseños están basados en nano-estructuras dieléctricas. Hemos aplicado una nano-estructura periódica 1D a la superficie anterior y posterior de células solares de silicio amorfo hidrogenado en dos diseños separados. El aumento de la absorción en las capas auxiliares de estas células se disipa como calor y mitiga parcialmente los defectos producidos por el efecto Staebler-Wronski. Una metasuperficie hecha con redes apiladas en capas incluidas en las capa activa de la porción superior de una célula tándem mejora la eficiencia de absorción de todo el dispositivo...