Nanofils III-V pour des cellules solaires tandem.

par Tiphaine Mathieu-Pennober

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Maria Tchernycheva.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical, Optical, Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Photonique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-02-2019 .


  • Résumé

    Une alternative aux énergies fossiles est désormais nécessaire. Parmi les sources possibles d'énergies renouvelables, l'énergie solaire est particulièrement prometteuse, puisqu'elle représente une puissance de plusieurs dizaines de milliwatts par cm². Le record de conversion pour l'énergie solaire a aujourd'hui dépassé 40% grâce à l'utilisation d'une cellule multijonction constituée de 3 jonctions de semi-conducteurs III-V. Malheureusement le coût par kilowatt-heure de cette technologie est bien trop élevé pour être développé à grande échelle. La conception de cellules solaires à haut rendement et faible coût de production demeure un défi. L'utilisation de nanofils de semi-conducteurs III-V pourrait permettre le développement de telles cellules. En raison de leurs propriétés mécaniques, les nanofils peuvent être élaborés sur des substrats à bas coût, malgré la différence de paramètre de maille. De plus, au sein d'un nanofil, des matériaux avec des paramètres de maille très différents peuvent être empilés sans dégradation. Cela permet d'utiliser des nanofils sans défauts sur du silicium pour réaliser une cellule tandem III-V/Si. Enfin, les nanofils présentent des propriétés optiques très intéressantes, puisque la réflectance est très faible et que la lumière peut être efficacement piégée, ce qui permet une absorption accrue par rapport aux couches minces. L'emploi de nanofils dans des dispositifs photovoltaïques soulève de nouvelles problématiques concernant l'architecture, la croissance du matériau ou les méthodes de fabrication du dispositif. En particulier les outils conventionnels de caractérisation pour le photovoltaïque sont macroscopiques et apportent une information moyennée sur des millions de nano-objets, ce qui limite la compréhension physique des mécanismes en jeu. Il est donc nécessaire de pouvoir observer les jonctions p-n au sein d'un unique nanofil, pour déterminer la qualité du matériau, l'homogénéité de l'ensemble de nanofils ou pour détecter de possibles défauts. Ainsi l'objectif de ce travail est de comprendre en profondeur les mécanismes à l'origine de la génération, de l'extraction et de la collection des porteurs de charges à l'intérieur des nanofils, à différentes échelles, afin d'élaborer une cellule tandem III-V/Si. Pour cela, la technique d'analyse EBIC (courant généré par faisceau d'électrons) est utilisée pour observer le mécanisme de conversion de la lumière, que ce soit au niveau d'un nanofil unique ou d'un dispositif complet. Cela permet d'accéder aux paramètres régissant la conversion photovoltaïque (longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires, densité de porteurs de charge, taux de recombinaison en surface, etc). Grâce à l'association de simulations et d'analyses expérimentales, de nouvelles architectures pour des cellules à haut rendement nanofils III-V/Si pourront être développées, fabriquées en salle blanche et caractérisées.

  • Titre traduit

    III-V Nanowires on Si tandem solar cells


  • Résumé

    The dependency on fossil fuels is today a major problem. In order to ensure the energetic independence, the use of renewable energies has become indispensable. Among the alternative sustainable energy resources, the most promising is the solar energy conversion, which can deliver a power of tens of milliWatts per cm². Today, a record conversion efficiency above 40% is achieved for a 3-junction tandem cell based on III-V semiconductors. However, the cost per kilowatt-hour of electricity generated with this photovoltaic (PV) technology is far too high for widespread applications. The problem of creating cost-effective high-performance solar cells is still open. One alternative is to exploit the advantages of III-V semiconductor nanowires (NWs) to develop novel PV devices with high conversion efficiency and moderate production cost. Thanks to the strain accommodation by the free lateral surface and the small footprint, NWs can be grown on low-cost misfitting substrates and highly mismatched materials can be stacked within the NW without formation of dislocations. This property also facilitates the integration of defect-free material in the form of NWs on Si to realize a tandem III-V/Si solar cell. Moreover, NW arrays have very attractive optical properties such as a small optical reflectance and strong capability for efficient light trapping leading to an increased absorption in comparison to thin films. To enhance the performance of NW PV devices, bottlenecks related to the design, material growth and processing have to be removed. In particular, for NW solar cells standard macroscopic PV characterization averaged over millions of nano-objects does not provide all the information necessary to understand the device physics and to optimize the performance. It is essential to push the comprehensive analyses down to the nanometric scale and to probe individual nanowire p-n junctions in order to analyze the material quality, to assess the wire-to-wire homogeneity and to detect eventual failures. The objective of this PhD is to achieve an in-depth understanding of fundamental physical phenomena governing the carrier generation, extraction and collection in NWs at different scales and to apply this knowledge to fabricate an efficient III-V on Si tandem solar cell. To this end, clean-room facilities will be used for the fabrication of samples and our recently developed, multi-scale, electrical characterization tool (Electron Beam Induced Current) will be used to tackle the conversion mechanism from the single NW level up to the whole device level. These advanced characterization tools will provide access to the key parameters governing the PV conversion (minority carrier diffusion length, carrier density, surface recombination velocity, etc). Combining the advanced modeling with the experimental investigation, novel device architectures for high-efficiency PV converters will be established.