Cellule solaire tandem III-V/Si crû part Epitaxy à jet moleculaire

III-V / Silicon tandem solar cell grown with molecular beam epitaxy

• Auteur / Autrice : Amadeo Michaud
• Direction : Jean-Christophe Harmand, Jara Fernandez Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 06/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Andrea Gauzzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfried Favre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Le Corre, James P. Connolly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés semiconducteurs

Photopiles

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

Photovoltaïque

Semiconducteurs III-V

MBE

Cellule solaire tandem

GaInP

Physique des matériaux

Photovoltaics

III-V semiconductors

MBE

Tandem solar cells

GaInP

Material physics

Résumé

Le photovoltaïque terrestre est actuellement largement dominé par des dispositifs à base de Silicium. La limite théorique d’efficacité de photoconversion pour les cellules solaires en silicium est de l’ordre de 29%. Avec des modules photovoltaïques ayant une efficacité de 26.3% sur le marché, la filière Si est à un niveau de maturité avancée et exploite déjà la quasi-totalité du potentiel de ce genre de cellule solaires. Le travail exposé ici traite d’une autre voie d’amélioration de l’efficacité de conversion des dispositifs photovoltaïques. En effet, les cellules solaires tandem, assemblées en empilant plusieurs cellules permettent de dépasser les limites associées aux cellules Si. La complémentarité importante des cellules solaire III-V avec les cellules Si permettrai en théorie d’atteindre plus de 40% d’efficacité. Cette thèse vise à l’élaboration de cellule III-V performante et compatible avec un usage en tandem. Dans un premier temps, l’épitaxie d’alliages phosphures a été étudiée et en particulier l’influence des conditions de croissance sur le GaInP. Une réduction de la pression en phosphore durant la croissance provoque des modulations de composition au sein de l’alliage. La température a un impact significatif sur la valeur de bande interdite qui diminue en augmentant la température. Des caractérisations de photoluminescence ont permis de définir les conditions optimales de croissance en maximisant le signal de luminescence de l’alliage. L’étude a notamment révélé que cru dans les conditions choisies, le GaInP présente moins de défaut et d’états profonds qu’à plus faibles températures de croissance. Enfin la capacité à atteindre des niveaux de dopages élevés dans l’alliage AlGaInP et l’impact de sa composition sur le dopage ont étés étudié. Dans un second temps, la structure des cellules solaires simple jonction GaInP a été optimisée. Nous illustrons l’impact de la passivation de la surface des cellules par AlInP et AlGaInP, ainsi que l’amélioration du photo-courant par l’amincissement de l’émetteur dopé n. L’introduction de couche non-dopée dans la structure ne permit pas de remédier au problème de collection des porteurs constaté dans les cellules. La couche limitant l’efficacité des cellules est composée de p-GaInP. Des caractérisations par Cathodoluminescence et Fluorescence résolue en temps d’échantillons identiques à cette couche ont été menées. Elles ont mis en avant une faible longueur de diffusion des porteurs générés dans le matériau. La comparaison de ces propriétés avec la littérature et celle mesurées pour GaInP épitaxié par MOCVD, indique que l’amélioration de l’efficacité des cellules passe par une augmentation de la mobilité des porteurs au sein du GaInP. Une solution pratique, combinant GaInP et AlGaAs dans une cellule à hétérojonction a été mise en œuvre. Ce type de structure est une autre perspective intéressante à l’avenir puisque des efficacités à l’état de l’art ont été mesurées. Enfin nous avons développé un procédé permettant d’adapter les cellules pour un usage tandem. Les structures sont crues en inversé puis transférées sur verre ou wafer de silicium sans endommager leur performance. Toutefois, des améliorations sont toujours nécessaires pour permettre l’assemblage d’une cellule tandem fonctionnelle. En effet, la non-planéité introduite par les contacts arrières de la cellule III-V cause actuellement des problèmes de collage.

Terrestrial photovoltaic is dominated by Silicon based devices. For this type of solar cells, the theory predicts an efficiency limit of 29%. With photovoltaic modules showing 26.6% efficiency already, Silicon-based modules is a mature technology and harvest almost their full potential. In this work, we intend to explore another path toward the enhancement of photovoltaic conversion efficiency. Tandem solar cells that consist in stacking sub-cells, allow to overcome the Si efficiency limit. Since solar cells made of III-V semiconductors are complementary to Silicon solar cells, theory predicts that efficiency above 40% is attainable when combining those types of cells. Here we focus on the elaboration of a performant III-V solar cell, compatible for a tandem use. The first stage of the PhD was to build know-how on phosphide alloys epitaxy with MBE. The influence of the growth conditions on GaInP properties was studied. We noted that composition modulations appear in the alloy when grown with low phosphorus pressure. The growth temperature also impacts the material bandgap, which reduces while increasing the temperature. Photoluminescence characterization served to select the best growth conditions by maximizing the photoluminescence efficiency. We could also highlight that in the conditions chosen, the GaInP exhibits less defect states. AlGaInP alloys are used for passivation purposes in the cells, the influence of the composition of the alloy on the Beryllium doping efficiency was studied. Then GaInP single junction solar cells were fabricated. The different layers composing the cells were optimized. The impact of the front surface passivation with AlGaInP and AlInP was emphasized; improvement of the cell photocurrent by the thinning of the n-doped GaInP layer was also demonstrated. The introduction of a non-intentionally-doped layer in the structure was tested in order to remedy the limits encountered with photocurrent collection. The p-GaInP composing the cells was eventually identified as the limiting factor. In depth characterization of samples mimicking the limiting layer was performed with cathodoluminescence and time-resolved fluorescence. A small diffusion length of the generated carriers was evidenced. Comparison with MOVPE and with literature values suggests that improving the carrier mobility in this layer is the main route to follow for improving of the GaInP cell efficiency. A practical solution was proposed and implemented: we designed a cell combining GaInP and AlGaAs in a heterojunction cell. This structure proves to be very relevant for the project since state of the art photoconversion efficiency of 18.7% was obtained. Finally a process was developed to adapt the III-V solar cells to the tandem configuration. Inverted PV cells structures were grown and transferred on glass or Silicon hosts without degradation of their efficiency. Further improvement of the process is needed to build a full tandem device, in particular the back metallization of the III-V cells must be compatible with the bonding of the cells on the host substrate.