Caractérisation des Cellules Solaires à Nanofils avec Techniques par Faisceau d’Electrons

Electron Beam-based Techniques for the Characterization of Nanowire Solar Cells

• Auteur / Autrice : Valerio Piazza
• Direction : Maria Tchernycheva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• 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 : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Duboz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Tchernycheva, Jean-Yves Duboz, Anna Fontcuberta i Morral, Julien Pernot, François Julien, Heinz Schmid
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Fontcuberta i Morral, Julien Pernot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cathodoluminescence

EBIC

Nanofils

Photopiles

Mots clés libres

Cellules solaires

III-V

Nanofils

EBIC

CL

Solar cell

III-V

Nanowire

EBIC

CL

Résumé

Bien que les nanofils III-V soient reconnus comme des candidats prometteurs pour le développement de cellules solaires de nouvelle génération pour leurs propriétés optiques très attractives, l'amélioration des performances attendue par rapport à leurs homologues 2D n'a pas encore été démontrée. L’investigation à l’échelle nanométrique est essentielle pour comprendre l'origine de l'écart existant entre les prédictions théoriques et les démonstrations expérimentales. L’analyse des nanofils uniques devrait permettre d'élucider les facteurs limitants (liés par exemple aux propriétés électriques des jonctions p-n internes, à l'homogénéité fil-à-fil et aux éventuelles défaillances) et de proposer des solutions pour améliorer les performances des dispositifs photovoltaïques à nanofils.Cette thèse explore l’utilisation des techniques de caractérisation par faisceau d’électrons pour extraire les paramètres fondamentaux pour la conversion photovoltaïque afin d’optimiser les propriétés de nanofils III-V crus sur Si.L’étude à l’échelle nanométrique porte tout d’abord sur des nanofils de GaAs et AlGaAs avec une jonction radiale. A la suite de cette étude, la structure interne de nanofils a pu être améliorée. La caractérisation de dispositifs de taille millimétrique confirme l’amélioration des performances à l’échelle macroscopique.Des nanofils InGaP crus par une nouvelle méthode (Template Assisted Selective Epitaxy où TASE) ont aussi été étudiés et le niveau de dopage a été estimé par la microscopie EBIC. De plus, la réponse photovoltaïque de ces structures été observée pour la premier fois. Les propriétés électriques des nanofils GaAs avec une jonction axiale crus par la même technique ont aussi été caractérisées.Enfin, des nanofils avec deux jonctions InP/InGaP sont été étudiés comme première tentative pour fabriquer une cellule solaire tandem entièrement à nanofils. L’activité électrique des deux jonctions été observée et caractérisée. En revanche, le fonctionnement de la structure tandem s’est trouvé limité par la jonction tunnel qui connecte électriquement les deux jonctions.

Although III-V nanowires (NWs) are recognized as promising candidates for the development of new generation solar cells thanks to their very attractive optical properties, the expected performance improvement over their 2D counterparts has not yet been demonstrated. Nanoscale analyses by electron beam-based techniques (EBIC,CL) are expected to elucidate the limiting factors and to propose solutions for enhancing the performance of NW photovoltaic (PV) devices.This PhD thesis applies the electron beam probe techniques to get access to the key parameters governing the PV conversion at a single NW level in order to further optimize the properties of III-V NWs grown on Si.First, GaAs and AlGaAs NWs containing a radial junction are investigated at the nanoscale and their internal structure is optimized. The characterization of mm-sized devices confirms the improvement of the device performance at the macroscopic level.Then InGaP and GaAs NWs grown by a novel Template Assisted Selective Epitaxy (TASE) method containing an axial junction are studied. The doping level in the ternary alloy is estimated by EBIC and the photovoltaic response of these structures is demonstrated for the first time.Finally, InP/InGaP dual junction NWs are characterized. Although both top and bottom junctions are electrically active under excitation, the performance of the tandem structure is limited by the connecting tunnel junction