GaAs-on-Si solar cells based on nanowire arrays grown by molecular beam epitaxy
Cellules solaires en GaAs sur Si à base de réseaux de nanofils épitaxiés par jets moléculaires
Résumé
Nanowires (NW) epitaxially grown on Si substrate are efficient light absorbers and allow to integrate high-quality III-V materials on Si by preventing defects induced by the lattice-mismatch between both materials. They provide a way to fabricate tandem III-V/Si solar cells above 30% efficiency. The goal of this thesis is to develop III-V NW solar cells grown on Si substrates. First, the control of the selective NW growth in ordered arrays on Si was addressed and vertical yields consistently above 90% and up to 100% were demonstrated. Using transmission electron microscope characterization, the growth conditions were optimized to improve the crystal quality by reducing the number of stacking faults, to investigate GaAsP NWs with the optimal bandgap for tandem, and to study core-shell heterostructures. Using cathodoluminescence to determine the carrier concentrations in NWs, it was shown that the core and the shell can be doped with Be up to p=8E18 cm⁻³, while Si is an amphoteric dopant, resulting in shell doping limited to n=5E17 cm⁻³. A solar cell fabrication process was developed to contact NW core-shell junctions. A first-generation GaAs homojunction device shows efficiencies up to 2.1%, limited by carrier collection issues, whereas the quasi-Fermi level splitting, estimated from PL measurements, reaches a promising value of 0.98 V at 82 sun, extrapolated to 0.86 V at 1 sun. A new core-shell p-i-GaAs/n-GaInP heterojunction exhibits efficiencies up to 3.7%, with a record Voc=0.65 V. These GaAs-based NW top-cells directly grown on Si pave the way toward high-efficiency tandem solar cells.
Les nanofils (NF) épitaxiés sur substrat Si sont des absorbeurs optiques efficaces et permettent d’intégrer des matériaux III-V de haute qualité sur Si en évitant les défauts généralement induits par le désaccord de maille entre ces deux matériaux, ce qui permettrait de fabriquer des cellules solaires tandem III-V/Si de plus de 30% d’efficacité. L’objectif de cette thèse est de développer des cellules solaires à NFs III-V, crûes sur substrat Si. Un premier objectif a été le contrôle de la croissance sélective de NFs en réseaux organisés, avec des taux de verticalité reproductibles supérieurs à 90% et atteignant 100%. A partir de caractérisation au microscope électronique en transmission, les conditions de croissance ont été optimisées pour améliorer la qualité cristalline en réduisant le nombre de fautes d’empilement, pour étudier des NFs de GaAsP avec un bandgap optimal, et pour étudier des hétérostructures cœur-coquille. En déterminant la concentration de porteurs dans les NFs par cathodoluminescence, je montre que le dopage du cœur ou de la coquille à un niveau p=8E18 cm⁻³ est possible en utilisant du Be, alors que le dopant Si est amphotère et ne permet d’atteindre que n=5E17 cm⁻³ dans les coquilles. Un procédé de fabrication de cellules a été développé pour contacter des jonctions de NFs cœur-coquille. Un dispositif de première génération basé sur une homojonction GaAs présente une efficacité de 2.1%, limitée par des problèmes de collection des porteurs, alors que la séparation des niveaux de Fermi estimée d'après des mesures de photoluminescence atteint une valeur prometteuse de 0.98 V à 82 soleils, extrapolée à 0.86 V à 1 soleil. Une nouvelle hétérojonction p-i-GaAs/n-GaInP présente une efficacité de 3.7% et un Voc record de 0.65 V. Ces démonstrations de cellules solaires à nanofils ouvrent la voie vers des cellules tandem à haute efficacité.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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