Cellules solaires en GaAs ultra-minces et à base de nanofils

Ultrathin and nanowire-based GaAs solar cells

• Auteur / Autrice : Hung-Ling Chen
• Direction : Stéphane Collin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 16/10/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Greffet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Collin, Jean-Jacques Greffet, Marko Topic, Nicolas Chauvin, Andrea Cattoni, Henri Mariette, Oliver Höhn
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marko Topic, Nicolas Chauvin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cathodoluminescence

Semiconducteurs -- Dopage

Nanofils

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

Cathodoluminescence

GaAs

Dopage

Piégeage optique

Nanofils

Cathodoluminescence

Doping

Light trapping

GaAs

Nanowires

Résumé

Confiner la lumière dans un volume réduit d'absorbeur photovoltaïque offre de nouvelles voies pour les cellules solaires à haute rendement. Ceci peut être réalisé en utilisant des nanostructures pour le piégeage optique ou des nanofils de semi-conducteurs. Dans une première partie, nous présentons la conception et la fabrication de cellules solaires ultra-minces (205 nm) en GaAs. Nous obtenons des résonances multiples grâce à un miroir arrière nanostructuré en TiO2/Ag fabriqué par nanoimpression, résultant en un courant de court-circuit élevé de 24,6 mA/cm². Nous obtenons le record d’efficacité de 19,9%. Nous analysons les mécanismes des pertes et nous proposons une voie réaliste vers un rendement de 25% en utilisant un absorbeur de GaAs de 200 nm d'épaisseur seulement. Dans une deuxième partie, nous étudions les propriétés de nanofils en GaAs crûs sur substrats Si et nous explorons leur potentiel comme absorbeur photovoltaïque. Un dopage élevé est souhaité dans les cellules solaires à nanofils en jonction coeur-coquille, mais la caractérisation à l'échelle d'un nanofil unique reste difficile. Nous montrons que la cathodoluminescence (CL) peut être utilisée pour déterminer les niveaux de dopage de GaAs de type n et p avec une résolution nanométrique. Les semi-conducteurs III-V de type n présentent une émission décalée vers le bleu, à cause du remplissage de la bande de conduction, tandis que les semi-conducteurs de type p présentent une émission décalée vers le rouge due à la réduction du gap. La loi de Planck généralisée est utilisée pour fitter tout le spectre et ainsi évaluer quantitativement le niveau de dopage. Nous utilisons également la polarimétrie de CL pour déterminer sélectivement les propriétés de phases wurtzite/zinc-blende d'un nanofil unique. Nous montrons enfin des cellules solaires fonctionnelles à nanofils de GaAs. Ces travaux ouvrent des perspectives vers une nouvelle génération de cellules photovoltaïques.

Confining sunlight in a reduced volume of photovoltaic absorber offers new directions for high-efficiency solar cells. This can be achieved using nanophotonic structures for light trapping, or semiconductor nanowires. First, we have designed and fabricated ultrathin (205 nm) GaAs solar cells. Multi-resonant light trapping is achieved with a nanostructured TiO2/Ag back mirror fabricated using nanoimprint lithography, resulting in a high short-circuit current of 24.6 mA/cm². We obtain the record 1 sun efficiency of 19.9%. A detailed loss analysis is carried out and we provide a realistic pathway toward 25% efficiency using only 200 nm-thick GaAs absorber. Second, we investigate the properties of GaAs nanowires grown on Si substrates and we explore their potential as active absorber. High doping is desired in core-shell nanowire solar cells, but the characterization of single nanowires remains challenging. We show that cathodoluminescence (CL) mapping can be used to determine both n-type and p-type doping levels of GaAs with nanometer scale resolution. n-type III-V semiconductor shows characteristic blueshift emission due to the conduction band filling, while p-type semiconductor exhibits redshift emission due to the dominant bandgap narrowing. The generalized Planck’s law is used to fit the whole spectra and allows for quantitative doping assessment. We also use CL polarimetry to determine selectively the properties of wurtzite and zincblende phases of single nanowires. Finally, we demonstrate successful GaAs nanowire solar cells. These works open new perspectives for next-generation photovoltaics.