Étude de deux nouvelle approches pour la réalisation de cellule solaire à base d’InGaN

par Muhammad Arif

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Paul Salvestrini et de Abdallah Ougazzaden.

Soutenue le 19-07-2016

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes - EA 4423 (laboratoire) , CentraleSupélec (2015-....) (École d’ingénieur) , GTL-CNRS télécom (Metz) (Institut de recherche) et de Laboratoire Matériaux Optiques- Photonique et Systèmes / LMOPS (laboratoire) .

Le président du jury était Abdelhadi Kassiba.

Le jury était composé de Ali Ahaitouf, Zakaria Djebbour, Philippe Gros.

Les rapporteurs étaient Farid Medjdoub, Eva Monroy.


  • Résumé

    Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement de nouvelles applications des matériaux III-Nitrure en général, et de l’alliage InGaN en particulier, pour la réalisation de cellules solaires à base de multi-jonction. Les nombreux avantages du matériau InGaN, à savoir son coefficient d’absorption élevé (105 cm−1), sa résistance thermique élevée, et sa tolérance aux radiations ainsi que sa bande interdite couvrant presque tout le spectre solaire (0.64 - 3.4eV), en font un sérieux candidat pour les dispositifs photovoltaïques. Ainsi une cellule solaire à quadruple jonctions permettrait l’obtention d’une efficacité au-delà de 50%. Cependant, les enjeux technologiques tels que la séparation de phase, le manque de substrat approprié donnant lieu à de forte densité de dislocations, et la difficulté de réalisation du dopage de type-p, sont considérés comme des obstacles pour atteindre les performances attendues. L’objectif de ce travail est d’étudier deux nouvelles approches qui peuvent résoudre les problèmes cités précédemment pour la réalisation de cellules solaires de haute efficacité à base d’InGaN. La première approche est dite approche "semibulk". Elle consiste à élaborer une structure multicouches InGaN/GaN épaisse avec une optimisation de l’épaisseur de chaque couche (InGaN et GaN), de façon que les couches de GaN soient suffisamment épaisses pour être efficaces, et assez mince pour permettre le transport des porteurs de charges par effet tunnel. Les couches InGaN quant à elles, doivent être assez épaisses et nombreuses afin d’absorber efficacement le rayonnement lumineux et suffisamment minces pour éviter la relaxation et l’apparition de dislocations. La deuxième approche consiste en la croissance de nanostructures InGaN qui autorise une incorporation d’indium élevée avec un matériau complètement relaxé et sans dislocation. La complète relaxation du matériau permet en outre de s’affranchir de l’effet piézoélectrique qui conduit à une chute du rendement. Nous avons pu démontrer que les cellules photovoltaïques à base d’In0.08Ga0.92N réalisées suivant l’approche "semibulk" présentent un pic de rendement quantique de 85%, ainsi qu’une efficacité de conversion en conditions AM 1.5G, presque trois fois plus élevée que l’état de l’art. Les premiers résultats obtenus sur les cellules photovoltaïques à base de nanostructures d’In0.08Ga0.62N sont très encourageants

  • Titre traduit

    Investigation of new approaches for the realization of InGaN based solar cells


  • Résumé

    The InGaN material system, with high absorption coefficient (105 cm−1) and a bandgap from 0.64 eV to 3.4 eV spanning the entire visual spectrum, make the development of all-InGaN multijunction solar cells with overall conversion efficiency larger than 50% theoretically possible. However, to reach this goal high-quality and thick InGaN layers with high indium concentration are required, which is not a trivial task. Studies of InGaN-based junctions with an indium mole fraction exceeding 0.3 are rare due to issues such as strong phase separation and relaxation of the layer due to lattice mismatch with the substrate which lead to InGaN layers with large dislocation density and indium-clustering. These material problems, significantly limit the performance of InGaN-based photovoltaic cells, and whatever the indium content, performance still remains far from the theoretical ones. The objective of this study is to investigate new approaches that may overcome the issues of phase separation and high dislocation density in InGaN materials with high indium concentration, for the realization of high efficiency InGaN based solar cells. Two novel approaches are proposed that may overcome the basic challenges involved in the InGaN hetero-junction solar cells. The first approach consists in the growth of a thick multi-layered InGaN/GaN absorber, called Semibulk. These GaN interlayers need to be thick enough to be effective and thin enough to allow carrier transport through tunneling. The InGaN layers need to be thick and numerous enough to absorb efficiently the incoming light beam, and thin enough to remain fully strained and without phase separation. The second approach consists in the growth of InGaN nano-structures to achieve high quality thick InGaN epitaxial layers with high indium concentration. It allows the elimination of the preexisting dislocations in the underlying template. It also allows strain relaxation of InGaN layers without any dislocations, leading to higher indium incorporation and reduced piezoelectric effect. The electro-optical characterization of semibulk In0.08Ga0.92N PV devices show a maximum external quantum efficiency (EQE) of 85%, which is the maximum EQE peak reported so far for an InGaN PIN heterojunction solar cell. The voltage dependence of the current density, under AM 1.5G solar spectrum for the semibulk In0.08Ga0.92N solar cells results in values of Jsc, Voc, fill factor (FF) and power conversion efficiency (PCE) as 0.57 mA/cm2, 1.04 V, 65% and 0.39% respectively. A comparison of the results to the literature show that the Jsc is four to five times of what has been reported for a bulk In0.08Ga0.92N PV structure. This value of Jsc lead to a PCE for the semibulk In0.08Ga0.92N-based PV cell which is at least three times higher than the PCE for the bulk In0.08Ga0.92N structure under AM 0 solar spectrum. For our second approach, high crystalline structural quality for InGaN nano-structures with 35% of indium concentration has been obtained. The electro-optical characterization for In0.09Ga0.91N nano-structure PV cells shows a significant enhancement in the performance of the devices. The PV devices result in a Jsc and Voc of 12 mA/cm2 and 1.89 V under concentrated light respectively


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