Growth optimization and characterization of regular arrays of GaAs/AIGaAs core/shell nanowires for tandem solar cells on silicon

par Marco Vettori

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Michel Gendry et de Alain Fave.

Soutenue le 16-04-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Christophe Harmand.

Le jury était composé de Michel Gendry, Alain Fave, Anne Kaminski-Cachopo, Sébastien Plissard.

Les rapporteurs étaient Olivier Durand, Henri Mariette.

  • Titre traduit

    Optimisation de la croissance et caractérisation de réseaux ordonnés de nanofils cœur/coquille GaAs/AlGaAs pour cellules solaires tandem sur silicium


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de réaliser l'intégration monolithique de nanofils (NFs) à base de l’alliage Al0.2Ga0.8As sur des substrats de Si par épitaxie par jets moléculaires via la méthode vapeur-liquide-solide (VLS) auto-assistée et de développer une cellule solaire tandem (TSC) à base de ces NFs.Pour atteindre cet objectif, nous avons tout d'abord étudié la croissance de NFs GaAs, étape clé pour le développement des NFs p-GaAs/p.i.n-Al0.2Ga 0.8As coeur/coquille, qui devraient constituer la cellule supérieure de la TSC. Nous avons montré, en particulier, l'influence de l'angle d'incidence du flux de Ga sur la cinétique de croissance des NFs GaAs. Un modèle théorique et des simulations numériques ont été réalisées pour expliquer ces résultats expérimentaux.Nous avons ensuite utilisé le savoir-faire acquis pour faire croître des NFs p-GaAs/p.i.n-Al0,2Ga0,8As coeur/coquille sur des substrats de Si prêts pour l'emploi. Les caractérisations EBIC réalisées sur ces NFs ont montré qu'ils sont des candidats potentiels pour la réalisation d’une cellule photovoltaïque. Nous avons ensuite fait croître ces NFs sur des substrats de Si patternés afin d'obtenir des réseaux réguliers de ces NFs. Nous avons développé un protocole, basé sur un pré-traitement thermique, qui permet d'obtenir des rendements élevés de NFs verticaux (80-90 %) sur une surface patternée de 0,9 x 0,9 mm2.Enfin, nous avons consacré une partie de notre travail à définir le procédé de fabrication optimal pour la TSC, en concentrant notre attention sur le développement de la jonction tunnel de la TSC, l'encapsulation des NFs et le contact électrique supérieur du réseau de NFs.


  • Résumé

    The objective of this thesis is to achieve monolithical integration of Al0.2Ga0.8As-based nanowires (NWs) on Si substrates by molecular beam epitaxy via the self-assisted vapour-liquid-solid (VLS) method and develop a NWs-based tandem solar cell (TSC).In order to fulfil this purpose, we firstly focused our attention on the growth of GaAs NWs this being a key-step for the development of p-GaAs/p.i.n-Al0.2Ga0.8As core/shell NWs, which are expected to constitute the top cell of the TSC. We have shown, in particular, the influence of the incidence angle of the Ga flux on the GaAs NW growth kinetic. A theoretical model and numerical simulations were performed to explain these experimental results.Subsequently, we employed the skills acquired to grow p-GaAs/p.i.n-Al0.2Ga0.8As core/shell NWs on epi-ready Si substrates. EBIC characterizations performed on these NWs have shown that they are potential building blocks for a photovoltaic cell. We then committed to growing them on patterned Si substrates so as to obtain regular arrays of NWs. We have developed a protocol, based on a thermal pre-treatment, which allows obtaining high vertical yields of such NWs (80-90 %) on patterned Si substrates (on a surface of 0.9 x 0.9 mm2).Finally, we dedicated part of our work to define the optimal fabrication process for the TSC, focusing our attention to the development of the TSC tunnel junction, the NW encapsulation and the top contacting of the NWs.


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