Fabrication et étude de Cellules Photovoltaïques multi-jonctions à base de matériaux antimoniures (III-Sb) pour applications aux fortes concentrations solaires.

par Alexandre Vauthelin

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Yvan Cuminal.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) .


  • Résumé

    Le développement des systèmes de conversion photovoltaïques ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances. A ce jour, les meilleurs rendements de conversion photovoltaïques sont obtenus avec des systèmes à concentration solaire utilisant des cellules multi-jonctions (MJ) à base de matériaux semi-conducteurs III-V. Dans ce domaine, le meilleur rendement atteint à ce jour est de 46,0 % sous une concentration de 508 soleils avec une cellule à 4 jonctions issu du partenariat Soitec/Fraunhofer ISE/CEA. Cette cellule MJ est composée d'une cellule tandem accordée sur GaAs assemblée par collage moléculaire à une autre cellule tandem accordée sur InP. Bien que le rendement atteint soit élevé, les performances de la cellule sont limitées sous fortes concentrations à cause de ce collage moléculaire. Dans le domaine des fortes concentrations, le record est actuellement détenu par la société américaine Solar Junction avec un rendement de 44,0 % mesuré sur une cellule triple jonction monolithique en GaInP/GaAs/GaInNAs de 0,3 cm² pour un taux de concentration de 942 soleils (irradiance directe de 942 kW/m²). Une seconde cellule a atteint un rendement performant à une irradiance directe supérieure à 1 MW/m², il s'agit d'une cellule tandem en GaInP/GaAs de l'IES-UPM qui a atteint 32,6 % sous une concentration de 1026 soleils. Dans le contexte précédent, les travaux présentés dans ce manuscrit visent à l'évaluation d'une nouvelle filière dans le domaine du CPV à base de semi-conducteurs III-V : la filière antimoniure (III-Sb). Les cellules que nous avons étudiées dans le cadre de cette thèse sont à base de GaSb et de l'alliage AlxGa1-xAsySb1-y, fabriquées de façon monolithique par MBE (Molecular Beam Epitaxy) sur substrat GaSb. Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré. Le travail à réaliser dans le cadre de cette thèse porte sur : - La caractérisation électrique et optique des alliages quaternaires utilisés. - La conception et le design des cellules. - La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la conception des cellules (photolithographie UV, gravure, métallisation, …). - La caractérisation électrique et optique des cellules fabriquées (I(V), TLM, réponse spectrale, …). - La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré. Ce travail a été cofinancé par l'Université de Montpellier et le LabEx SOLSTICE. Mots-clés : cellules multi-jonctions, matériaux antimoniures, forte concentration solaire.

  • Titre traduit

    Manufacturing and study of multi-junction Photovoltaic Cells using antimonide-based materials (III-Sb) for high concentrated solar applications.


  • Résumé

    The development of photovoltaic conversion systems these past thirty years led to considerable improvements in terms of cost and performances. The best conversion efficiencies are currently obtained with solar concentration systems associated with multi-junction solar cells (MJSC) made of III-V materials. In this field, the record efficiency is of 46.0% under a 508-sun solar concentration with a 4-junction cell from Soitec/Fraunhofer ISE/CEA. This MJSC is composed of a tandem cell lattice-matched to GaAs wafer bonded to another tandem cell lattice-matched to InP. Although it reached high conversion efficiency, its performances are limited under solar concentration because of the wafer bonding. In the field of high solar concentrations, the record is held by Solar Junction with a monolithic triple junction GaInP/GaAs/GaInNAs cell of 0.3 cm² that reached an efficiency of 44.0% under 942 suns (direct irradiance of 942 kW/m²). Another high solar concentration efficiency record worth mentioning is held by IES-UPM with a tandem solar cell (GaInP/GaAs) that reached an efficiency of 32.6% under a concentration of 1026 suns. In this context, the work presented in this manuscript aims to evaluate the potential of a new family of III-V materials for high solar concentration applications: antimonide-based materials (III-Sb). The studied cells in this thesis are made out of GaSb and the quaternary AlxGa1-xAsySb1-y, monolithically grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) on a GaSb substrate. These materials, thanks to the large range of available band-gaps, represent an original and well-founded alternative to existing solar cells for high solar concentration applications. The work achieved in this thesis covers: - The electrical and optical characterization of the quaternary materials used. - The conception and designing of the cells. - The production and tuning of every technological steps in order to fabricate our solar cells (UV photolithography, etching, metal deposition,…). - The electrical and optical characterization of our fabricated solar cells (I(V), TLM, spectral response,…). - The characterization under (high) solar concentration of our cells. This work was cofounded by the University of Montpellier and the LabEx SOLSTICE. Key words: multi-junction solar cells, antimonide-based materials, solar concentration.