Caractérisations de matériaux et tests de composants des cellules solaires à base des nitrures des éléments III-V

Material characterizations and devices tests of solar cells based on III-V elements nitrides

• Auteur / Autrice : Vanessa Gorge
• Direction : Zakaria Djebbour, Christophe Longeaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/05/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdallah Ougazzaden
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zakaria Djebbour, Christophe Longeaud, Abdallah Ougazzaden, Olivier Durand, Abdelilah Slaoui, David Rogers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Durand, Abdelilah Slaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de gallium

Spectrophotométrie

Photopiles

Mots clés libres

Nitrure de gallium-indium

InGaN

Cellule solaire

Substrat

Spectrophotométrie

Raman

SSPC

Simulations

Modélisation

Scout

Silvaco

Réponse spectrale

Caractérisation courant-tension

Indium gallium nitride

InGaN

Solar cell

Substrate

Spectrophotometry

Raman

SSPC

Simulations

Modeling

Scout

Silvaco

Spectral response

Current-voltage characteristics

Résumé

Parmi les nitrures III-V, le matériau InGaN a été intensément étudié depuis les années 2000 pour des applications photovoltaïques, en particulier pour des cellules multi-jonctions, grâce à son large gap modulable pouvant couvrir quasiment tout le spectre solaire. On pourrait alors atteindre de hauts rendements tout en assurant de bas coûts. Cependant, l’un des problèmes de l’InGaN est l’absence de substrat accordé en maille provoquant une grande densité de défauts et limitant ainsi les performances des composants. Nous avons donc étudié la faisabilité de cellules solaires simples jonctions à base d’InGaN sur des substrats alternatifs comme le silicium et le verre afin de baisser les coûts et d’avoir de larges applications. Afin d’adapter l’InGaN sur ces substrats alternatifs, nous avons utilisé une couche tampon en ZnO. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR NewPVonGlass. Plus particulièrement, dans ce projet, mon travail avait pour objectifs de réaliser des caractérisations électriques et optiques des matériaux et des composants. Les deux premières parties de cette thèse introduisent le matériau InGaN et l’effet photovoltaïque. Les techniques de caractérisation utilisées sont expliquées dans le troisième chapitre. Ensuite, les résultats obtenus lors de la caractérisation cristalline du matériau InGaN sont présentés en fonction du substrat, de la concentration d’indium et de l’épaisseur de la couche. Puis, la cinquième partie développe les caractérisations des premières cellules à base d’InGaN sur saphir. Enfin, dans le dernier chapitre, des simulations de cellules solaires à base d’InGaN ont été réalisées. Le modèle développé nous a permis d’optimiser la structure et le dopage du composant et de déterminer les paramètres critiques. Nous montrons donc, dans ce travail, le développement d’une cellule solaire à base d’InGaN : des caractérisations des matériaux de base à celles des cellules solaires, en passant par la modélisation.

Among III-V nitrides, the InGaN material has intensively been studied since the year 2000 for photovoltaic applications, in particular for multi-junction solar cells, thanks to its large tunable band gap covering almost the entire solar spectrum. Then, it will be possible to reach high efficiency and low cost. However, one of the problems of InGaN material is the absence of lattice-matched substrate leading to high defect density which limits device performances. We have thus studied the feasibility of single junction InGaN based solar cells on alternative substrate such as silicon and glass in order to lower the price and to benefit from their wide application fields. To adapt InGaN material on these new substrates, we have utilized ZnO buffer layer. This work has been carried out within the framework of the ANR project NewPVonGlass. More particularly, in this project, I was in charge of the electrical and optical characterizations of the materials and devices. In the two first parts of this manuscript, the InGaN material and the photovoltaic effect are introduced. Then, the characterization techniques are explained in the third chapter. In the fourth part, the results obtained during crystalline characterization of the InGaN materials are presented depending on the substrate, the indium percentage and the InGaN layer thickness. Then, the fifth chapter presents the first InGaN-based solar cell characteristics on sapphire substrate. Finally, in the last part, simulations of InGaN-based solar cell have been performed. The developed model was able to optimize the structure and to determine the critical parameters. Thus, we have shown in this work the development of an InGaN-based solar cell from the base material characterizations to the device tests, through modeling.