Fabrication, characterization and simulation of III-V on Si multi-junction solar cells

Fabrication, caractérisation et simulation de cellules solaires multi-junction III-V sur silicium Des rendements record à plus de 26% ont récemment été démontrés avec des cellules solaires en Si, approchant la limite théorique de 30% pour une seule jonction. Les cellules solaires à multi-jonctions (MJSC) fabriquées à base de matériaux III-V peuvent dépasser cette limite: des rendements supérieurs à 45% ont été reportés pour une cellule à 5 jonctions sous un soleil et pour une cellule à 4 jonctions sous lumière concentrée. Cependant, pour des applications terrestres, le coût élevé de ces technologies impose l’utilisation d’une haute concentration, ce qui augmente la complexité du système.Une solution intermédiaire consiste à fabriquer des cellules solaires III-V à haut rendement sur des substrats Si, moins coûteux que les substrats III-V ou Ge utilisés dans les MJSC classiques. Des rendements supérieurs à 33% ont déjà été démontrés pour des MJSC fabriquées par collage direct. Ceci, combiné aux progrès récents dans la réutilisation des substrats III-V, présage un avenir prometteur pour les cellules solaires tandem III-V sur Si, ce qui pourrait mener à la prochaine génération de systèmes photovoltaïques à haut rendement et faible coût.Dans ce travail de thèse, des cellules solaires tandem AlGaAs//Si à 2 jonctions (2J) et GaInP/AlGaAs//Si à 3 jonctions (3J) ont été fabriquées par collage direct, ce qui a donné lieu à une configuration à 2 terminaux (2T).Différentes techniques de collage ont été étudiées, notamment une approche innovante présentant un potentiel d'industrialisation prometteur pour l’intégration des matériaux III-V sur Si. Les propriétés électriques de l'interface de collage GaAs//Si ont été analysées à l'aide de dispositifs de test dédiés conçus au CEA, permettant d'évaluer la résistance d'interface et le mécanisme de conduction.Des caractérisations et simulations expérimentales ont été effectuées afin d'optimiser le design et le processus de fabrication, conduisant à des rendements record. Pour la sous-cellule supérieure en AlGaAs de la 2J, cela comprend l'utilisation d'une fenêtre en AlInP avec un émetteur en GaInP, formant une hétérojonction n-GaInP/p-AlGaAs, qui améliore les performances pour les faibles longueurs d'onde. De plus, la réduction de l'épaisseur de la couche de collage en GaAs et l'utilisation d'une jonction tunnel en AlGaAs, avec bande interdite plus large, augmentent la transparence et donc le photocourant de la sous-cellule inférieure.Pour la sous-cellule inférieure en Si, les simulations ont permis d'identifier les facteurs clés qui limitent les performances, la durée de vie étant la caractéristique la plus critique dans les cellules Si épaisses utilisées. Dans le cas des interfaces III-V//Si, un émetteur fortement dopé est essentiel pour minimiser la recombinaison de surface et donc augmenter la tension en circuit ouvert. La passivation de la surface arrière est également importante, notamment pour augmenter la réponse dans l’infrarouge. Différents processus de diffusion et d'implantation ont été étudiés pour former l'émetteur. Les processus d'implantation ont montré moins de dégradation de la durée de vie et des surfaces moins rugueux, permettant ainsi le collage sans planarisation chimico-mécanique et donc des niveaux de dopage plus élevés en surface.Finalement, afin d’évaluer correctement le rendement de conversion de ces cellules tandem III-V sur Si, une méthode de caractérisation courant-tension rapide et peu coûteuse, adaptée aux MJSC sous faible concentration a été développée. Cette méthode ne nécessite pas de cellules isotypes parfaitement identiques, à la place, des cellules Si à simple jonction avec filtres optiques sont utilisées. Une efficacité de 23,7% sous 10 soleils a été démontrée de cette manière pour la cellule AlGaAs//Si, qui est le rendement le plus élevé signalé à ce jour pour une cellule tandem à base de Si avec 2J et 2T.