Composant photovoltaïque innovant à base d’hétérojonction GaP/Si

New photovoltaic device based on GaP/Si heterojunctions

• Auteur / Autrice : Thomas Quinci
• Direction : Alain Le Corre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 02/07/2015
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Kleider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Le Corre, Jean-Paul Kleider, Ramon Alcubilla-Gonzalez, Jean-Christophe Harmand, Thierry Baron, Delfina Muñoz, Antoine Letoublon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ramon Alcubilla-Gonzalez, Jean-Christophe Harmand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérojonctions

Silicium

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

III/V – Si

GaP

Photovoltaic power generation

Silicon

Heterojunctions

III/V – Si

GaP

Résumé

L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier une alternative à la cellule photovoltaïque à hétérojonction classique de silicium amorphe/cristallin avec un matériau (GaP) qui permettrait une amélioration de rendement grâce à ses propriétés optiques et électriques. L’étude du potentiel des hétérojonctions GaP/Si pour des applications PV nous a amené à étudier chacun des aspects critiques inhérents à leur réalisation. La préparation chimique de la surface des substrats et les mécanismes qui contrôlent la structuration de la surface de Si(100) ont été étudiés afin d’obtenir une surface de silicium mono-domaine (à marches diatomiques) et faiblement rugueuse par homoépitaxie (dépôts par UHV-CVD). Cette étude a été complétée par l’étude de l’influence de la préparation de surface (préparation chimique et homoépitaxie) du substrat sur la qualité cristalline du GaP déposé en deux étapes par MEE et MBE. La croissance de GaP par MEE a par la suite été effectuée sur des substrats de Si(100) ayant uniquement subi une préparation chimique de surface. Les paramètres de la séquence de croissances MEE ont été étudiés et ajustés afin d’optimiser la phase de nucléation du GaP. La qualité structurale des dépôts a été évaluée par des caractérisations par AFM et DRX. Les couches minces de faibles épaisseurs (20nm) présentent une faible rugosité de surface équivalente à une homoépitaxie et une fraction volumique de MTs inférieure à la limite de détection. La croissance MEE permet d’assurer une nucléation 2D. Cependant les caractérisations par TEM et STM révèlent la présence de parois d’antiphase. En parallèle, la simulation de structures HET GaP/Si (effectuée grâce au programme AFORS-HET) et la réalisation de diodes et de démonstrateurs cellules GaP/Si ont permis de démontrer les optimisations apportées par l’utilisation d’un émetteur de GaP. Ces composants ont été étudiés par caractérisations optiques et électriques. Nous avons constaté une limitation des performances due à la présence de pièges à l’interface et dans le volume. Ces différentes études ont donc permis d’identifier les verrous technologiques à lever pour exploiter pleinement les cellules à hétérojonctions GaP sur silicium afin d’obtenir des hauts rendements photovoltaïques.

The main objective of this thesis is to study an alternative to conventional amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell using gallium phosphide (GaP) as an emitter layer. This would allow a performance improvement because of its optical and electrical properties. The potential of GaP/Si heterojunction solar cells have been evaluated by studying each of the critical issues inherent to their fabrication process. The chemical preparation of the substrates surface and the mechanisms controling the structure of the Si (100) surface have been studied in order to obtain a single domain silicon surface (with diatomic steps) and slightly roughened by homoepitaxy (UHV-CVD). This work was completed by the study of the impact of surface preparation (chemical preparation and homoepitaxy) of the substrate on the crystalline quality of GaP deposited in two steps by MBE and MEE. The growth of GaP by MEE was subsequently carried out on Si(100) substrates having only undergone a chemical surface preparation. MEE growth sequence parameters were studied and adjusted to optimize GaP nucleation. The structural quality of the thin films was evaluated by AFM and XRD characterizations. Thin films of 20 nm have lower surface roughness equivalent to an homoepitaxy and a volume fraction of MTs below the detection limit. The MEE growth ensures a 2D nucleation. However, TEM and STM characterizations reveal the presence of antiphase boundaries. In parallel, simulations of the structure HET GaP/Si (with AFORS-HET) have been performed to evaluate the potential of the structure. First, diodes and demonstrator cells with GaP/Si junction have been fabricated and optically/electrically characterized. Limitations in performance due to the presence of traps at the interface and silicon volume degradation have been observed. All this work has allowed us to identify the technological issues to overcome in order to fully exploit the GaP/Si heterojunction cells to improve solar cell performance.