InP based tandem solar cells integrated onto Si substrates by heteroepitaxial MOVPE

par Stefano Soresi

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Eric Tournié.

Soutenue le 01-10-2018

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

  • Titre traduit

    Cellules solaires tandem à base de InP intégrées sur substrats Si par hétéro-épitaxie MOVPE


  • Résumé

    Cette thèse s’intéresse à l'intégration sur Si de cellules solaires III-V à simple et double jonction par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques (MOVPE). Les dispositifs photovoltaïques ont été réalisés avec des matériaux accordés sur InP. L'objectif était d'abord d'obtenir des dispositifs performants sur des substrats InP, puis de les intégrer sur une structure avec un paramètre de maille différent, en évaluant les effets sur les performances photovoltaïques. Ceci a nécessité la réalisation et l'optimisation de plusieurs étapes de fabrication.Tout d'abord, nous avons réalisé une cellule InP à simple jonction, qui peut correspondre à la cellule top dans notre structure tandem. Cela était également nécessaire pour mettre en place un processus de fabrication pour toutes les cellules suivantes. Les conditions de croissance ont été optimisées en profitant des techniques de caractérisation des matériaux telles que la XRD, l’analyse C-V et le SIMS. En optimisant les épaisseurs et les niveaux de dopage des différentes couches du dispositif, ainsi que le procédé en salle blanche, nous avons obtenu une efficacité de conversion de 12.9%, avec un FF de 84.3%. Nous avons démontré que l'utilisation d'une couche fenêtre en AlInAs au lieu de l’InP peut augmenter l'efficacité à 13.5%, malgré une légère réduction du FF (81.4%). La même procédure a ensuite été étendue à la réalisation d'une cellule solaire InGaAs comme cellule bottom du dispositif tandem. Nous avons obtenu un rendement de 11.4% et un FF de 74.5%.En parallèle, des jonctions tunnels capables de relier électriquement les deux sous-cellules dans un dispositif tandem ont été étudiées. En particulier, nous avons concentré notre attention sur les conditions de croissance de l'anode de la jonction, qui a été fabriquée en AlInAs et dopée avec le précurseur CBr4. Les réactions chimiques d’un tel précurseur avec le précurseur de l’Al et l’In nécessitaient une importante réduction de la température de croissance à 540 °C. En déterminant les effets des flux sur la composition et les niveaux de dopage du composé, nous avons obtenu un dopage élevé de +4x1019 cm-3. En obtenant un niveau équivalent pour la cathode InP:S, nous avons réalisé un dispositif présentant un Jp de 1570 A/cm2, capable de fonctionner dans des conditions de concentration solaire élevée. En combinant finalement les trois dispositifs présentés dans une cellule tandem, nous avons pu obtenir un rendement global de conversion de 18.3%, avec un FF de 83.9%.Un template approprié pour l'intégration III-V/Si a été déterminé en testant plusieurs possibilités fournies par différents partenaires. Les caractérisations XRD et AFM ont démontré qu'un template InP/GaP/Si fourni par la société NAsP était la meilleure option. Ceci a été confirmé par la croissance d'une cellule InP à simple jonction sur le template. La techno sur un substrat Si a été rendu possible en déplaçant le contact arrière de la cellule sur la face avant du dispositif, ce qui a nécessité la mise au point d'un ensemble approprié de masques photolithographiques. La réussite de l’intégration des cellules solaires III-V sur Si a été confirmée par le photocourant produit. Celui-ci correspond à environ 60% de la valeur obtenue sur les substrats InP. De plus, les caractéristiques J-V mesurées donnent une tendance de type diode, démontrant la validité de l'approche proposée.


  • Résumé

    This thesis focuses on III-V/Si integration of single- and dual-junction solar cells by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). The photovoltaic devices were made with materials lattice matched to InP. The goal was to firstly obtain efficient devices on InP substrates and then to integrate them on a structure with a different lattice parameter, by evaluating the effects on the photovoltaic performances. This required the realization and the optimization of several manufacturing steps.Firstly, we realized an InP single junction device, which may correspond to the top cell of our tandem structure. This was also necessary to set up a manufacturing process for all the next cells. The growth conditions were optimized by taking advantage of material characterization techniques such as XRD, C-V profiling and SIMS. By optimizing thicknesses and doping levels of the various layers of the device, as well as the clean room process, we obtained a conversion efficiency of 12.9%, with a FF of 84.3%. We demonstrated that the use of an AlInAs window layer instead of InP may increase the efficiency to 13.5%, despite a slight reduction in FF (81.4%). The same procedure was then extended to the realization of an InGaAs solar cell as the bottom component of the tandem device. We obtained an efficiency of 11.4% and a FF of 74.5%.In parallel, tunnel junctions able to electrically connect the two subcells in a tandem device were studied. In particular, we focused our attention on the growth conditions of the junction anode, which was made in AlInAs and doped with CBr4 precursor. The particular chemical interactions that such a precursor has with Al precursor and In required a relevant reduction of growth temperature to 540 °C. By determining the effects of the flows on composition and doping levels of the compound, we obtained a high doping of +4x1019 cm-3. By obtaining an equivalent level for the InP:S cathode, we realized a device presenting a Jp of 1570 A/cm2, able to work under high solar concentration conditions. By finally combining the three presented devices in a tandem cell, we could obtain an overall conversion efficiency of 18.3%, with a FF of 83.9%.A proper template for III-V/Si integration was determined by testing several possibilities provided by different partners. XRD and AFM characterizations demonstrated that an InP/GaP/Si template provided by NAsP Company was the best option. This was confirmed by the growth of an InP single junction cell over the template. The processing over a Si substrate was made possible by shifting the rear contact of the cell on the front side of the device, which required the development of a proper set of photolithographic masks. The successful integration of the III-V solar cells on Si was confirmed by the relevant produced photocurrent. This corresponds to around 60% of the value obtained on InP substrates. Furthermore, the measured J-V characteristics show a diode-like trend, which demonstrates the validity of the proposed approach.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Bibliothèque interuniversitaire. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.