Fabrication et caractérisation de cellules photovoltaïques à base de phosphure de gallium sur silicium

par Médéric Descazeaux

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Thierry Baron.

Le président du jury était Chantal Fontaine.

Le jury était composé de Thierry Baron, Laura Ding, Maxime Darnon, Delfina Munoz.

Les rapporteurs étaient Ramon Alcubilla, Jean-Paul Kleider.


  • Résumé

    Dans le cadre de la transition énergique, le déploiement de sources d’énergies ne produisant pas de gaz à effet de serre devient primordial. Bénéficiant de la surabondante énergie fournie par le Soleil, le photovoltaïque est un des éléments-clés du bouquet énergétique du futur. Le marché du photovoltaïque est actuellement dominé par les technologies à base de silicium et les meilleurs rendements de conversion dépassent les 26% avec la technologie de cellules à hétérojonction de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) sur silicium monocristallin (c-Si).Le silicium amorphe hydrogéné, déposé par PECVD, permet d’obtenir une excellente passivation de la surface du substrat de silicium cristallin, et ainsi d’obtenir des tensions de circuit ouvert au-delà de 730 mV. Cependant l’a-Si:H montre une absorption parasite des photons ultraviolets, et sa faible conductivité limite la longueur de diffusion des porteurs de charge générés en son sein, limitant la performance électrique et aussi leur contribution au courant de la cellule.Pour augmenter le rendement de cette technologie, nous proposons de fabriquer et de caractériser une nouvelle structure de cellules photovoltaïques à base d'hétérojonction de phosphure de gallium (GaP) sur c-Si, déposé par dépôt en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). Matériau III-V, cristallin, et à énergie de bande interdite élevée (2.26 eV contre 1.6-1.9 eV pour l’a-Si:H et 1.12 eV pour le c-Si), le GaP permettrait une croissance par épitaxie sur le c-Si, une meilleure transparence face à l’a-Si:H, ainsi qu’une passivation par effet de champ repoussant les trous, porteurs de charge positive, loin de l’interface GaP/Si. Les améliorations des caractéristiques courant-tension de telles cellules avec seulement 10 nm de GaP ont précédemment montré, par simulation, une amélioration des rendements de 2% en absolu.Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié expérimentalement l’effet du dépôt de GaP sur le c-Si. Nous avons mis en évidence une dégradation de la durée de vie des porteurs dans le c-Si lors d’une étape de préparation de surface pour améliorer l’épitaxie du GaP, qui favoriserait la diffusion de contaminants issus de la chambre de dépôts III-V dans le substrat. Cette étape pourrait être retirée, mais elle est nécessaire pour limiter l’émergence de domaines d’antiphase, défauts cristallins liés à la nature polaire des liaisons Ga-P qui limitent aussi la durée de vie des porteurs. De plus, la durée de vie à l’interface GaP/Si est demeure inférieure à 150 µs, malgré l’hypothétique passivation par effet de champ et sans défauts cristallins.Se basant sur ces découvertes, nous avons cherché à comprendre et améliorer la passivation de l’interface GaP/Si. Des techniques d’analyses avancées ont montré la présence de traces de carbone et d’arsenic dans le GaP, accompagné de fluor à l’interface, ainsi qu’une oxydation du GaP post-épitaxie. Différentes couches de mouillage ont été testées, permettant de corréler la rugosité, la défectuosité du GaP à la durée de vie des porteurs.D’autre part, l’intégration d’étapes de décontamination du substrat (gettering) a permis avec succès de restaurer la durée de vie volumique des charges tout en maintenant le recuit de reconstruction de surface dans le procédé de fabrication. Ces étapes ont été optimisées pour minimiser leur impact sur la couche de GaP. Un cellule avec GaP déposé sans pré-recuit atteint 11.2% tandis qu’en reléguant le GaP à une couche fenêtre, une cellule GaP/(n+)c-Si/(p)c-Si a montré un rendement amélioré à 13.8% avec le recuit et les étapes de gettering.Ce travail s'appuie sur l'expertise du CEA-INES en cellules solaires à hétérojonctions et du CNRS-LTM en épitaxie et caractérisation des matériaux III/V.

  • Titre traduit

    Fabrication and characterisation of photovoltaic cells based on gallium phosphide on silicon


  • Résumé

    In the frame of energy transition, the development of energy sources that do not generate greenhouse gases is paramount. Benefiting from the overabundant energy provided by the Sun, photovoltaics is a key element of the future energy mix. Photovoltaics market is currently led by the silicon-based technologies, and best conversion efficiencies exceed 26% with the heterojunction solar cells technology with hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) on monocrystalline silicon (c-Si).Hydrogenated amorphous silicon, deposited by PECVD, enables high surface passivation of crystalline silicon, and to reach over 730 mV of open-circuit voltage. However, the parasitic absorption in the Ultra Violet region limits photon collection, and its low conductivity limits the diffusion length of charge carriers it generates, limiting the electrical performance and their contributions to the cell current.To enhance the efficiency of this technology, we propose to fabricate and characterise a new structure of photovoltaic solar cells based on heterojunction of gallium phosphide on crystalline silicon, made by metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD). This crystalline III-V material, with high bandgap energy (2.26 eV vs 1.6-1.9 for a-Si:H and 1.12 eV for c-Si), allows its pseudomorphic epitaxy on silicon, with higher transparency vs a-Si:H along with field effect passivation that repels the holes, positive charge carriers, away from the GaP/Si interface. The improvement of current-voltage characteristics, with only 10-nm-thick GaP, have previously shown by simulation an absolute improvement of the efficiency by 2%.In the frame of this thesis, we have experimentally studied the effect of GaP deposition on c-Si. We have outlined a carrier lifetime degradation in c-Si during a surface preparation annealing that favours the diffusion of contaminants from the III-V MOCVD chamber into the substrate. This step could be removed, but it is required to limit the formation of antiphase domains, which are crystalline defects linked to the polarity of Ga-P bonds that also limit the carrier lifetime. Moreover, GaP/Si interface lifetime remains below 150 µs, despite the hypothetic field effect passivation and without crystalline defects.From these conclusions, we sought to understand and improve the GaP/Si interface passivation. Advanced analysis techniques have shown carbon and arsenic traces in the GaP, with fluorine at the interface, as well as post-epitaxy GaP oxidation. Different wetting layers were tested, correlating the roughness and defectivity of Gap to the carrier lifetime.Furthermore, integration of substrate decontamination steps (gettering) enables successful bulk carrier lifetime recovery while maintaining the surface reconstruction annealing in the process flow. These steps were optimised to minimise their impact the GaP layer. A solar cell with GaP deposited on unannealed silicon reached 11.2% while, making GaP a window layer in a GaP/(n+)c-Si/(p)c-Si stack produced a solar cell with 13.8% with annealing and gettering steps.This work relies on the expertise of CEA-INES on heterojunction solar cells and CNRS-LTM on the epitaxy of III-V materials and their characterisation.


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