Fabrication, caractérisation et simulation de cellules solaires multi-junction III-V sur silicium

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

• Auteur / Autrice : Elias Veinberg vidal
• Direction : Anne Kaminski-Cachopo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 15/11/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Mustapha Lemiti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pablo Garcia-Linares, Cécilia Dupré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Durand, Alain Dollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Photopiles

Générateurs photovoltaïques

Mots clés libres

III-V sur silicium

Cellules solaires

Caractérisation

Collage

Multi-Junction

Énergie photovoltaïque

III-V on silicon

Solar cells

Characterization

Bonding

Multi-Junction

Photovoltaics

Résumé

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.

Si solar cells with record efficiencies over 26% have been recently demonstrated, approaching the Si single-junction limit of 30%. Multi-junction solar cells (MJSC) based on III-V materials can overcome this limit: efficiencies over 45% have been reported for a 5-junction under 1 sun and for a 4-junction under a concentrated illumination of 300 suns. Due to their elevated cost, these cells could be used in terrestrial applications only if operated under very high sunlight concentration for commercial terrestrial applications, which in turn increases the module and system complexity.An intermediate solution consists in fabricating high efficiency III-V solar cells on Si substrates, which are less expensive than the III-V or Ge substrates used in conventional MJSC. Mechanical-stacked and wafer-bonded solar cells, which avoid the unresolved issues of III-V on Si epitaxy, have already demonstrated efficiencies over 33%. This, combined with the recent advancements in the field of substrate reuse, predict a promising future for III-V on Si tandem solar cells, which could lead the next generation of high-efficiency and low-cost photovoltaics.In this PhD work, 2-junction (2J) AlGaAs//Si and 3-junction (3J) GaInP/AlGaAs//Si tandem solar cells were fabricated. The Si bottom subcell and the III-V top subcell(s) were joined together by wafer bonding, resulting in a 2-terminal (2T) III-V//Si solar cell configuration.Different wafer bonding techniques were studied, including an innovative bonding approach showing promising industrialization potential and thus, opening a new path for III-V on Si processing. The GaAs//Si bonding interface electrical properties were analyzed using dedicated test devices originally conceived at CEA, allowing to evaluate the interface resistance and the conduction mechanism.Experimental characterizations and simulations were performed in order to optimize the design and fabrication process, leading to record efficiencies. For the AlGaAs top subcell of the 2J, this includes the use of an AlInP window together with a GaInP emitter, forming an n-GaInP/p-AlGaAs heterojunction, which improved the short wavelength performance. In addition, the reduction of the GaAs bonding layer thickness and the use of a higher bandgap AlGaAs tunnel junction resulted in a higher transparency and a bottom subcell photocurrent improvement.For the Si bottom subcell, simulations allowed to identify the key factors that limit the performance, being the bulk lifetime the most critical characteristic in the thick Si cells used. In the case of III-V//Si interfaces, a highly doped emitter is crucial to minimize the surface recombination and maximize the open-circuit voltage, outweighing the drop in short-circuit current due to lifetime degradation. Back surface passivation is also important, specially to increase the infrared response. Different diffusion and implantation processes for the emitter formation were studied. Implantation processes showed less bulk lifetime degradation and smoother surfaces, thereby allowing bonding without chemical-mechanical planarization and thus higher doping levels at the surface.Finally, in order to correctly assess the efficiency of these III-V on Si tandem cells, a fast and low-cost current-voltage characterization method adapted for MJSC under low concentration was developed. This method does not require perfectly matched component cells and instead, Si single-junction cells with optical filters are used as pseudo-isotypes. An efficiency of 23.7% under 10 suns was demonstrated this way for the AlGaAs//Si cell, which is the highest efficiency reported to date for a 2J 2T Si-based tandem cell.