Development of InGaAsN solar cells and characterization of their degradation in space radiative environment

par Maxime Levillayer

Thèse de doctorat en Photonique et Systèmes Optoélectronique

Sous la direction de Guilhem Almuneau et de Laurent Artola.


  • Résumé

    L’essor des satellites artificiels couvrant des applications de télécommunication et d’observation scientifique, ainsi que des besoins miliaires, requiert le développement de puissants systèmes d’alimentation électrique en milieu spatial.Ces systèmes reposent très majoritairement sur la conversion photovoltaïque et la technologie des cellules solaires à multi-jonction (MJSC).La structure standard de MJSC utilisée pour les applications spatiales est la tri-jonction GaInP/(In)GaAs/Ge. Afin d’augmenter le rendement de cette MJSC, il est nécessaire de mieux exploiter le proche infrarouge en remplaçant la souscellule de germanium ou en introduisant une 4e sous-cellule dont l’énergie de bande interdite est égale à 1 eV. Cette cellule doit avoir le même paramètre de maille que Ge ou GaAs et doit être capable de générer environ 15 mA/cm2 en condition d’intégration. De plus, il est indispensable que cette cellule soit résistante aux radiations spatiales afin de garantir une longue durée de vie de la structureMJSC.Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le quaternaire InGaAsN pour répondre à ces exigences d’intégration MJSC et de tenue en milieu spatial. Nous avons commencé par faire croître des couches cellules solaires et des couches bulk d’InGaAsN par épitaxie par jets moléculaires (EJM). De nombreuses caractérisations matériaux nous ont permis de comprendre l’impact des conditions de croissance épitaxiale sur les propriétés opto-électroniques de l’InGaAsN et ainsid’optimiser notre procédé de fabrication.Des cellules solaires ont par ailleurs été fabriquées en salle blanche (lithographie, métallisation, gravure) avant d’être caractérisées par mesure courant tension et réponse spectrale. En conditions d’intégration MJSC, nos cellules pourraient générer des densités de courant environ égales à 8 mA/cm2. L’intégration de ces cellules au sein d’une structure tandem GaAs/InGaAsN a par ailleurs étédémontrée. Des cellules solaires InGaAsN ainsi que des échantillons pour la photoluminescence (PL) et la spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont par la suite été irradiés sous électrons et protons 1 MeV. La comparaison des caractéristiques matériaux et cellules avant et après irradiation nous a permis d’analyser les mécanismes de dégradation ayant lieu dans l’InGaAsN. Globalement, les cellules solaires d’InGaAsN apparaissent plus résistantes aux irradiations électroniques et protoniques que les cellules de GaAs.

  • Titre traduit

    Développement de cellules solaires InGaAsN et caractérisation de leur dégradation en environnement radiatif spatial


  • Résumé

    The current development of artificial satellites used for telecommunication, scientific and military applications, requires the conception of powerful and reliableelectrical sources that can be used in a space environment. On-board systems rely predominantly on photovoltaic conversion and more specifically on multijunctionsolar cell (MJSC) technology.The standard MJSC structure used in space applications is the triple junction GaInP/(In)GaAs/Ge. In order to increase further the efficiency of this MJSC, it isnecessary to optimize photon harvesting in the near infrared region. This can be achieved by replacing the germanium subcell by a subcell with a 1 eV bandgap energy. Even higher efficiencies can be obtained if the 1 eV subcell is integrated within a four-junction architecture. For its integration to be possible, this 1 eV subcell needs to be based on a material with the same lattice parameter as GaAs or Ge. It also needs to photogenerate more than 15 mA/cm2 under integrationcondition and it should exhibit high radiation hardness to enable long lifespanspace missions.In the framework of this thesis, we have developed solar cells based on the InGaAsN quaternary to fulfil all these requirements. We have grown solar cell structures and InGaAsN bulk layers by molecular beam epitaxy (MBE). Through multiple material characterizations, we have studied the impact of the growthconditions on the optoelectronic properties of InGaAsN.InGaAsN solar cells were fabricated through clean room technological processing steps (lithography, metallisation, etching). These solar cells were then characterized with current-voltage and quantum efficiency measurements. In MJSC integration conditions, our device could generate current densities as high as 8 mA/cm2. Increasing the nitrogen content and the thickness of the absorber would lead to higher photocurrents enabling current-matching in the MJSC. Theintegration of an InGaAsN subcell within a GaAs/InGaAsN tandem structurewas also demonstrated.InGaAsN solar cells and samples dedicated to photoluminescence (PL) and deep level transient spectroscopy (DLTS) analysis were then irradiated with 1 MeV electrons and protons. Comparing the InGaAsN material properties and the solar cell characteristics before and after irradiation allowed us to evaluate the degradation rate of InGaAsN cells. These solar cells exhibit a radiation hardness towards electrons and protons greater than their GaAs counterparts.


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