Cellules solaires à multijonctions par intégration monolithique de nitrures dilués sur substrats d’arséniure de gallium (GaAs) et de silicium (Si) : études des défauts.

Multijunction Solar Cells from Monolithic Integration of Dilute Nitrides on Gallium Arsenide (GaAs) and Silicon (Si) Wafers : defect studies

• Auteur / Autrice : Artem Baranov
• Direction : Jean-Paul Kleider, Alexander Gudovskikh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 26/06/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Saint Petersburg Academic University (Saint Petersburg)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Pere Roca i Cabarrocas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Kleider, Alexander Gudovskikh, Pere Roca i Cabarrocas, Chantal Fontaine, Jean-Pierre Vilcot, Jean Paul Kleider, Georges Brémond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Fontaine, Jean-Pierre Vilcot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérostructures

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Composés III-V

Hétérostructures

Cellules

III-V compounds

Heterostructures

Solar cells

Résumé

Les cellules solaires à multi-jonctions de type III-V possèdent des rendements de conversion de l'énergie très élevés (46%). Cependant, les méthodes de fabrication généralement utilisées sont complexes et coûteuses, notamment pour les cellules solaires non monolithiques associées par des techniques de collage et à structure inversée. Cette thèse vise à augmenter les rendements de conversion des cellules solaires monolithiques à l'aide de méthodes prospectives. Le travail est focalisé sur l'étude des défauts électroniquement actifs dans les matériaux constituant les cellules solaires au moyen de techniques photoélectriques et capacitives, et il peut être scindé en trois parties. La première partie traite des cellules solaires à simple jonction avec des couches absorbantes non dopées d'alliages InGaAsN de 1 eV de bande interdite de différentes épaisseurs obtenues sous forme de super-réseaux (InAS / GaAsN) par épitaxie à jets moléculaires (MBE) sur des substrats de GaAs. Pour des épaisseurs inférieures à 1200 nm, la concentration de défauts est négligeable et n'affecte pas fortement les propriétés photoélectriques, tandis que que pour une épaisseur de 1600 nm, la forte concentration de défauts détectés réduit la durée de vie des porteurs photogénérés, et conduit à une baisse significative du rendement quantique externe et des performances de la cellule. La deuxième partie du travail est consacrée à l'étude de cellules solaires à une et plusieurs jonctions avec des couches actives de (In)GaP(As)N obtenues par MBE sur des substrats respectifs de GaP et de Si. Nous avons trouvé que les cellules solaires de type p-i-n avec des couches actives de GaPAsN non dopé présentaient de meilleures performances que les cellules solaires de type p-n avec des couches actives de GaPAsN dopé n. De plus, les cellules solaires avec une couche d'absorbeur en GaPAsN non dopé présentent de meilleures propriétés photoélectriques et des concentrations de défauts plus faibles que celles avec un absorbeur obtenu à partir de super-réseaux InP / GaPN. Plusieurs niveaux de défauts ont été détectés dans la bande interdite de ces matériaux et leurs paramètres ont été décrits en détail. Nous avons montré qu'un traitement de post-croissance approprié pouvait améliorer la qualité électronique des couches et des cellules solaires. Une cellule solaire à triple jonction a été fabriquée avec des couches actives d'absorbeurs de GaPAsN et de GaPN non dopées. La valeur élevée de la tension de circuit ouvert (>2,2V) atteste du fonctionnement des 3 sous-cellules, mais la performance globale est limitée par les faibles épaisseurs de couches d'absorbeurs. Enfin, la troisième partie du travail est consacrée à l'étude de couches de GaP obtenues sur des substrats de Si à des températures inférieures à 400 ° C par une méthode originale de dépôt de couches atomiques assistée par plasma (PE-ALD). En effet, celle-ci utilise un équipement de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma et elle repose sur l'interaction de la surface avec les atomes de Ga et P provenant respectivement du triméthylgallium et de la phosphine qui sont injectés alternativement. Nous avons également fait croître des couches en utilisant un processus continu (fournissant simultanément les atomes P et Ga) et observé que leurs propriétés électriques et structurelles étaient moins bonnes que celles obtenues par la méthode PE-ALD proposée. Nous avons exploré l'influence des conditions de croissance sur les hétérostructures GaP / Si. Nous avons constaté qu'une faible puissance de plasma RF conduit à de meilleures propriétés photoélectriques, structurelles et à moins de défauts, grâce à une meilleure passivation du substrat de silicium. En outre, nous avons démontré que, contrairement à des résultats de la littérature utilisant des procédés MBE, la technique PE-ALD n'affecte pas ou très peu les propriétés électroniques des substrats de silicium et aucune désactivation des dopants n'a été observée.

Multi-junction solar cells based on III-V compounds have reached very high power conversion efficiencies (46%). However, the fabrication methods that are generally used are complex and expensive for non-monolithic bonded and inverted solar cells. This thesis is devoted to the study of prospective methods to increase the efficiency of monolithic solar cells. The work is focused on the study of electronically active defects in the materials constituting the solar cells by means of photoelectric and capacitance techniques (admittance spectroscopy, DLTS,…) and it can be divided into three parts. The first part deals with single-junction solar cells wherein the absorber is made of i-layers of 1 eV bandgap InGaAsN compounds with various thicknesses grown as sub-monolayer digital alloys (SDA) of InAs/GaAsN by molecular-beam epitaxy (MBE) on GaAs wafers. The cell with 900 nm thick InGaAsN exhibits the best photovoltaic performance and no defects could be evidenced from capacitance techniques. When the thickness is increased to 1200 nm, defects were detected, but their concentration is low so it did not strongly affect the photoelectric properties. Further increase to 1600 nm of the layer thickness was shown to lead to a higher defect concentration causing a change in the band diagram of the structure and lowering the lifetime of photogenerated carriers. This could explain the drastic drop of the external quantum efficiency, and the overall poor performance of the solar cell. The second part is devoted to the study of single- and multi-junction solar cells with active layers of (In)GaP(As)N grown by molecular beam epitaxy (MBE) on GaP and Si wafers, respectively. More precisely, the active layers were either quaternary alloys of GaPAsN or SDAs of InP/GaPN. We found that p-i-n type solar cells with active layers of i-GaPAsN showed better performance than p-n type solar cells with active layers of n-GaPAsN due to higher EQE values. Moreover, solar cells with an i-GaPAsN absorber layer show better photoelectric properties and lower defect concentrations, than those with an SDA InP/GaPN absorber layer. Different defect levels were detected by capacitance methods in these materials and their parameters were described in detail. We showed that a suitable post-growth treatment could improve the electronic quality of the GaPAsN layer and the solar cell properties. Also, a triple-junction solar cell was fabricated with active layers of i-GaPAsN and i-GaPN. All subcells were found to be operating, leading to a large open circuit voltage (>2.2 V), but the overall performance is limited by the low value of the quantum efficiency due to low thicknesses of i-layers that should be increased for better absorption. Finally, the third part is devoted to the study of GaP layers grown on Si wafers at temperatures below 400 °C using an original method called plasma-enhanced atomic-layer deposition (PE-ALD). Indeed, it uses a plasma-enhanced chemical vapor deposition equipment and it is based on the alternate interaction of the wafer surface with Ga and P atoms coming from injected trimethylgallium and phosphine, respectively. We also grew layers using a continuous process (providing simultaneously the P and Ga atoms) and observed that their electric and structural properties were poorer than that grown by the proposed PE-ALD method. The influence of growth conditions on the GaP/Si heterostructures was explored. We found that low RF-plasma power leads to better photoelectric, structural and defect-related properties, due to a better passivation of the silicon wafer. In addition, we demonstrated that, contrary to results reported in the literature using MBE processes, our growth process does not affect the electronic properties of phosphorous doped n-Si wafers, while slight changes were observed in boron-doped p-Si wafers containing Fe-related defects, however without deactivation of the doping nor strong degradation of the electronic properties.