III-V/Si tandem solar cells : an inverted metamorphic approach using low temperature PECVD of c-Si(Ge)

par Gwenaëlle Hamon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pere Roca i Cabarrocas.

Le président du jury était Ignacio Rey-Stolle.

Le jury était composé de Pere Roca i Cabarrocas, Nils Harder, Stéphane Collin, Bernardette Kunert, Jean Decobert.

Les rapporteurs étaient Olivier Durand, Eric Tournié.

  • Titre traduit

    Cellules solaires tandem III-V/Si : une approche inverse métamorphique par PECVD basse température de c-Si(Ge)


  • Résumé

    La limite théorique d’efficacité d’une cellule solaire simple jonction est de ~29 %. Afin de dépasser cette limite, une des moyens les plus prometteurs est de combiner le silicium avec des matériaux III-V. Alors que la plupart des solutions proposées dans la littérature proposent de faire croître directement le matériau III-V sur substrat silicium, ce travail présente une approche innovante de fabriquer ces cellules solaires tandem. Nous proposons une approche inverse métamorphique, où le silicium cristallin ou SiGe est cru directement sur le matériau III-V par PECVD. La faible température de dépôt (< 200 °C) diminue les problèmes de différence de dilatation thermique, et le fait de croître le matériau IV sur le matériau III-V élimine les problèmes de polarité.La réalisation de la cellule tandem finale en SiGe/AlGaAs passe par le développement et l’optimisation de plusieurs briques technologiques. Tout d’abord, nous développons l’épitaxie à 175 °C de Si(Ge) sur des substrats de Si (100) dans un réacteur de RF-PECVD industriel. La réalisation de cellules solaires à hétérojonction à partir de ce matériau Si(Ge) crû par PECVD montre que ses performances électriques s’avèrent prometteuses. Nous obtenons pour un absorbeur de 1.5 µm des Voc qui atteignent 0.57 V. L’incorporation de Ge permet d’augmenter le JSC de 15.4 % jusqu’à 16.6 A/cm2 pour Si0.72Ge0.28.En parallèle, la croissance de cellules solaires AlGaAs a été développée, ainsi que sa fabrication technologique. Nous obtenons une efficacité de 17.6 % pour une cellule simple en Al0.22Ga0.78As. Nous développons aussi des jonctions tunnel, parties essentielles d’une cellule tandem dans une configuration à deux terminaux. Nous développons notamment le dopage n du GaAs en utilisant le précurseur DIPTe, et obtenons des jonctions tunnel ayant des courants pic atteignant jusqu’à 3000 A/cm2, rejoignant ainsi les résultats de l’état de l’art.Ensuite, nous étudions l’hétéro-épitaxie de Si sur GaAs par PECVD. Le c-Si montre d’excellentes propriétés structurales. Les premiers stades de croissance sont étudiés par diffraction des rayons X avec rayonnement synchrotron. Nous trouvons un comportement inattendu : le Si est relâché dès les premiers nanomètres, mais sa maille est tétragonale. Alors que le GaAs a un paramètre de maille plus grand que le Si, le paramètre hors du plan (a⏊) du Si est plus élevé que son paramètre dans le plan (a//). Nous trouvons une forte corrélation entre cette tétragonalité et la présence d’hydrogène dans la couche de silicium. D’autre part, nous montrons que le plasma d’hydrogène présent lors du dépôt PECVD affecte les propriétés du GaAs : son dopage diminue d’environ un ordre de grandeur lorsque le GaAs est exposé au plasma H2, dû à la formation de complexes entre le H et le dopant (C, Te ou Si). Le dopage initial peut être retrouvé après un recuit à 350 °C.Enfin, nous étudions la dernière étape de fabrication de la cellule tandem : le collage. Nous avons pu reporter une cellule simple inversée en AlGaAs sur un substrat hôte (en Si), retirer le substrat GaAs et effectuer les étapes de microfabrication sur un substrat 2 pouces. Des couches épaisses de Si (>1 µm) ont été crues avec succès sur une cellule AlGaAs inversée suivie d’une jonction tunnel. Le collage de cette cellule tandem, et la processus de fabrication technologique du dispositif final sont ensuite étudiés, afin de pouvoir caractériser électriquement la première cellule solaire tandem fabriquée par croissance inverse métamorphique de Si sur III-V.


  • Résumé

    Combining Silicon with III-V materials represents a promising pathway to overcome the ≈29% efficiency limit of a single c-Si solar cell. While the standard approach is to grow III-V materials on Si, this work deals with an innovative way of fabricating tandem solar cells. We use an inverted metamorphic approach in which crystalline silicon or SiGe is directly grown on III-V materials by PECVD. The low temperature of this process (<200 °C) reduces the usual thermal expansion problems, and growing the group IV material on the III-V prevents polarity issues.The realization of the final tandem solar cell made of SiGe/AlGaAs requires the development and optimization of various building blocks. First, we develop the epitaxy at 175°C of Si(Ge) on (100) Si substrates in an industrial standard RF-PECVD reactor. We prove the promising electrical performances of such grown Si(Ge) by realizing PIN heterojunction solar cells with 1.5µm epitaxial absorber leading to a Voc up to 0.57 V. We show that the incorporation of Ge in the layer increases the Jsc from 15.4 up to 16.6 A/cm2 (SiGe28%).Meanwhile, we develop the growth of AlGaAs solar cells by MOVPE and its process flow. We reach an efficiency of 17.6 % for a single Al0.22GaAs solar cell. We then develop the tunnel junction (TJ), essential part of a tandem solar cell with 2-terminal integration. We develop the growth of n-doped GaAs with DIPTe precursor to fabricate TJs with peak tunneling currents up to 3000 A/cm2, reaching state-of-the art TJs.Then, the hetero-epitaxy of Si on GaAs by PECVD is studied. c-Si exhibits excellent structural properties, and the first stages of the growth are investigated by X-ray diffraction with synchrotron beam. We find an unexpected behavior: the grown Si is fully relaxed, but tetragonal. While the GaAs lattice parameter is higher than silicon one, we find a higher out-of-plane Si parameter (a⏊) than in-plane (a//), contradicting the common rules of hetero-epitaxy. We find a strong correlation between this tetragonal behavior and the presence of hydrogen in the Si layer. We furthermore show that hydrogen also plays a strong role in GaAs: the doping level of GaAs is decreased by one order of magnitude when exposed to a H2 plasma, due to the formation of complexes between H and the dopants (C, Te, Si). This behavior can be recovered after annealing at 350°C.Finally, the last step of device fabrication is studied: the bonding. We successfully bonded an inverted AlGaAs cell, removed it from its substrate, and processed a full 2” wafer. We succeeded in growing our first tandem solar cells by growing thick layers (>1 µm) of Si on an inverted AlGaAs solar cells followed by a TJ. The bonding and process of this final device is then performed, leading, as a next step, to the electrical measurement of the very first tandem solar cell grown by inverted metamorphic growth of Si on III-V.


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